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DE102006004257B4 - Adaptivverstärker - Google Patents

Adaptivverstärker Download PDF

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DE102006004257B4 DE200610004257 DE102006004257A DE102006004257B4 DE 102006004257 B4 DE102006004257 B4 DE 102006004257B4 DE 200610004257 DE200610004257 DE 200610004257 DE 102006004257 A DE102006004257 A DE 102006004257A DE 102006004257 B4 DE102006004257 B4 DE 102006004257B4
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Abstract

Adaptivverstärker, aufweisend einen Eingang (4) und einen Ausgang (13), bestehend aus
– einem Phasendemodulator (3),
– einem spannungsgesteuerten Verstärker (1) und
– einem Verstärker (2),
wobei
– ein erster Eingang (5) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) mit einem Eingang (8) des Verstärkers (2) und mit dem Eingang (4) des Adaptivverstärkers verbunden ist,
– ein Steuereingang (6) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) mit einem Ausgang (12) des Phasendemodulators (3) verbunden ist,
– ein Ausgang (7) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) mit einem ersten Eingang (10) des Phasendemodulators (3) und mit dem Ausgang (13) des Adaptivverstärkers verbunden ist,
– ein Ausgang (9) des Verstärkers (2) mit einem zweiten Eingang (11) des Phasendemodulators (3) verbunden ist,
und wobei
– der Arbeitsbereich unterhalb der Resonanzfrequenz des Verstärkers (2) liegt, und wobei
– wenn sich die Frequenz des sinusförmigen Signals am ersten Eingang (5) des spannungsgesteuerten...Adaptive amplifier, comprising an input (4) and an output (13) consisting of
A phase demodulator (3),
A voltage controlled amplifier (1) and
An amplifier (2),
in which
A first input (5) of the voltage-controlled amplifier (1) is connected to an input (8) of the amplifier (2) and to the input (4) of the adaptive amplifier,
A control input (6) of the voltage-controlled amplifier (1) is connected to an output (12) of the phase demodulator (3),
An output (7) of the voltage-controlled amplifier (1) is connected to a first input (10) of the phase demodulator (3) and to the output (13) of the adaptive amplifier,
An output (9) of the amplifier (2) is connected to a second input (11) of the phase demodulator (3),
and where
- The working range is below the resonance frequency of the amplifier (2), and wherein
- If the frequency of the sinusoidal signal at the first input (5) of the voltage controlled ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung ist zur Durchführung der Selektivverstärkung mit AFC (Automatic Frequency Control) bestimmt. Die Erfindung gehört zu den grundlegenden elektronischen Schaltkreisen und kann in der Messtechnik, Automation, Kommunikationstechnik usw. verwendet werden.The invention is intended for carrying out the selective amplification with AFC (Automatic Frequency Control). The invention belongs to the basic electronic circuits and can be used in metrology, automation, communication technology, etc.

Aus der DE 691 26 862 T2 ist eine Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Verstärker mit schleifenverriegelter Amplitudenverriegelung bekannt. Aus der US 62 46 285 B1 ist eine Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung bekannt.From the DE 691 26 862 T2 For example, there is known a circuit with a loop-locked amplitude-locked voltage-controlled amplifier. From the US 62 46 285 B1 is a circuit with a voltage-controlled amplifier with automatic gain control known.

Es sind bereits einige Adaptivverstärker, z. B. ein PLL (Phase-locked Loops) bekannt ([1], R. Best, Theorie und Anwendungen des Phase-locked Loops, AT Verlag Aarau, Stuttgart, 1987; S. 69, 7.1 Der PLL als Tracking-Filter).There are already some adaptive amplifier, z. B. a PLL (Phase-Locked Loops) known ([1], R. Best, theory and applications of the phase-locked loop, AT Verlag Aarau, Stuttgart, 1987, p 69, 7.1 The PLL as a tracking filter).

Der PLL besteht grundsätzlich aus drei Funktionsblöcken, nämlich ([1], S.11)

  • 1. spannungsgesteuerter Oszillator VCO (voltage controlled oczillator)
  • 2. Phasen-Detektor
  • 3. Filter (loop filter).
The PLL basically consists of three function blocks, namely ([1], p.11)
  • 1. voltage controlled oscillator VCO (voltage controlled oczillator)
  • 2nd phase detector
  • 3. Filter (loop filter).

Wir werden den Phasen-Detektor und den Filter vereinigen und einen auf solche Weise gebildeten Block Phasendemodulator nennen.We will merge the phase detector and the filter and call a block formed in this way phase demodulator.

Ein Mangel der bekannten Einrichtung ist ihre Komplexität. Der komplizierteste Teil ist der VCO.A shortcoming of the known device is its complexity. The most complicated part is the VCO.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung der Einrichtung.The object of the present invention is the simplification of the device.

Das Problem wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.The problem is solved by the features of the claim.

In 1 ist das Blockschaltbild des vorgeschlagenen Adaptivverstärkers, in 2 sind Frequenzgänge und in 3 sind Zeitdiagramme der Signale abgebildet.In 1 is the block diagram of the proposed adaptive amplifier, in 2 are frequency responses and in 3 are time diagrams of the signals shown.

Der Adaptivverstärker besteht aus einem spannungsgesteuerten Verstärker (1), einem Verstärker (2) und dem oben genannten Phasendemodulator (3), wobei

  • – der erste Eingang (5) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) mit dem Eingang (8) des Verstärkers (2) und mit dem Eingang (4) des Adaptivverstärkers verbunden ist,
  • – der zweite Eingang Steuereingang (6) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) mit dem Ausgang (12) des Phasendemodulators (3) verbunden ist,
  • – der Ausgang (7) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) mit dem ersten Eingang (10) des Phasendemodulators (3) und mit dem Ausgang (13) des Adaptivverstärkers verbunden ist,
  • – der Ausgang (9) des Verstärkers (2) mit dem zweiten Eingang (11) des Phasendemodulators (3) verbunden ist.
The adaptive amplifier consists of a voltage-controlled amplifier ( 1 ), an amplifier ( 2 ) and the above-mentioned phase demodulator ( 3 ), in which
  • - the first entrance ( 5 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) with the entrance ( 8th ) of the amplifier ( 2 ) and with the entrance ( 4 ) of the adaptive amplifier is connected,
  • - the second input control input ( 6 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) with the output ( 12 ) of the phase demodulator ( 3 ) connected is,
  • - the exit ( 7 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) with the first input ( 10 ) of the phase demodulator ( 3 ) and with the output ( 13 ) of the adaptive amplifier is connected,
  • - the exit ( 9 ) of the amplifier ( 2 ) with the second input ( 11 ) of the phase demodulator ( 3 ) connected is.

Der vorgeschlagene Adaptivverstärker arbeitet folgendermaßen. Auf die Eingänge (5) und (8) der Verstärker (1) und (2) gelangt das sinusförmige Signal, dessen Frequenz Fe sich langsam ändert. Im oberen Teil der 2 sind Amplitudenfrequenzkennlinien des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) (Kurve 3) und des Verstärkers (2) (Kurve 4) abgebildet. Im unteren Teil der 2 ist die Differenz der Phasenfrequenzkennlinien der Verstärker (1) und (2) abgebildet. Dabei muss man berücksichtigen, dass sich der Frequenzgang des Verstärkers (2) nicht ändert, und der Frequenzgang des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) entlang der Achse der Frequenzen entsprechend den Veränderungen des Steuerungssignals auf dem Steuereingang (6) versetzt werden. Im Arbeitsbereich der Frequenzen (links von der Resonanzfrequenz der Kurve 4) sind die Ausgangssignale der Verstärker (1) und (2) in der Phase verschoben. Die Verschiebung der Phase (von 0 bis zu –π) hängt von der Frequenz Fe und von der Resonanzfrequenz des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) ab. Die Ausgangssignale der Verstärker (1) und (2) gelangen auf die Eingänge des Phasedemodulators (3). Wenn die Frequenz Fe der Resonanzfrequenz der Kurve 3 gleich ist, ist die Verschiebung der Phase gleich –π/2 (2), und ist das Ausgangssignal des Phasendemodulators (3) gleich 0. Wenn sich die Frequenz Fe von der Resonanzfrequenz des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) unterscheidet, erscheint auf dem Ausgang des Phasendemodulators (3) und auf dem Steuereingang (6) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) eine Spannung. Sie ändert allmählich (wegen der Trägheit der Einrichtung) die Resonanzfrequenz des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) solange, bis die Resonanzfrequenz der Frequenz Fe gleich wird.The proposed adaptive amplifier operates as follows. On the inputs ( 5 ) and ( 8th ) the amplifier ( 1 ) and ( 2 ) passes the sinusoidal signal whose frequency F e changes slowly. In the upper part of the 2 are amplitude frequency characteristics of the voltage controlled amplifier ( 1 ) (Curve 3) and the amplifier ( 2 ) (Curve 4). In the lower part of the 2 is the difference of the phase frequency characteristics of the amplifiers ( 1 ) and ( 2 ). It must be remembered that the frequency response of the amplifier ( 2 ) and the frequency response of the voltage controlled amplifier ( 1 ) along the axis of the frequencies corresponding to the changes of the control signal on the control input ( 6 ). In the working range of frequencies (to the left of the resonance frequency of curve 4), the output signals of the amplifiers ( 1 ) and ( 2 ) moved in phase. The shift of the phase (from 0 to -π) depends on the frequency F e and on the resonance frequency of the voltage-controlled amplifier ( 1 ). The output signals of the amplifiers ( 1 ) and ( 2 ) arrive at the inputs of the phase demodulator ( 3 ). If the frequency F e of the resonant frequency of curve 3 is the same, the phase shift is equal to -π / 2 ( 2 ), and is the output signal of the phase demodulator ( 3 ) equals 0. When the frequency F e of the resonant frequency of the voltage controlled amplifier ( 1 ), appears on the output of the phase demodulator ( 3 ) and on the control input ( 6 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) a tension. It gradually changes (due to the inertia of the device) the resonant frequency of the voltage controlled amplifier ( 1 ) until the resonance frequency becomes equal to the frequency F e .

Für die Prüfung der Arbeitsfähigkeit der angebotenen Einrichtung wurde die Modellierung verschiedener prinzipieller Schaltungen von Adaptivverstärkern mit Hilfe des Programms Micro-Cap 7 gemacht. For the testing of the working capability of the offered device, the modeling of various principal circuits of adaptive amplifiers using the program Micro-Cap 7 made.

Die prinzipielle Schaltung des Adaptivniederfrequenzselektivverstärkers besteht aus drei Operationsverstärkern, einem Feldeffekttransistor, einem elektronischen Schalter, dreizehn Widerstanden und Kondensatoren.The basic circuit of the adaptive low frequency selective amplifier consists of three operational amplifiers, a field effect transistor, an electronic switch, thirteen resistors and capacitors.

Die wichtigsten Charakteristiken des Adaptivniederfrequenzselektivverstärkers sind: Arbeitsbereich der Frequenzen 59.3–60.6 Hz Verstärkung (im eingeschwungenen Zustand) 107 Bandbreite 2ΔF (im eingeschwungenen Zustand) 0.2 Hz. The most important characteristics of the adaptive low-frequency selective amplifier are: Working range of frequencies 59.3-60.6 Hz Amplification (in steady state) 10 7 Bandwidth 2ΔF (in the steady state) 0.2 Hz.

Die Zeitdiagramme der Signale im Adaptivniederfrequenzselektivverstärker sind bei FM-Eingangsspannung V(1) = 10–9·SIN(2π·60t + Φ(t)) = 10–8·SIN(2π·60t + (0.4/0.05)·SIN(2π·0.05t)) (1) (mit den Parametern: Mittenfrequenz 60 Hz, Modulationshub 0.4 Hz, Modulationsfrequenz 0.05 Hz und mit der Frequenzschwankung dΦ/dt = 2π·0.4·COS(2π·0.05t)) (2) in 3 dargestellt. Die Länge der Modellierung ist 50 s. Auf den Diagrammen der Spannungen V(1) auf dem Eingang (4) des Adaptivverstärkers und V(3) auf dem Ausgang (7) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) kann man die Augenblicksspannungen nicht sehen, und man kann nur die Hüllkurven sehen. Die Amplitude des Eingangssignals ist 10 nV = 10–8 V, und die Amplitude des Ausgangssignals nach t = 4.5 s schwankt ca. 100 mV = 10–1 V. Die Form der Spannung V(2) auf dem Steuereingang (6) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) nach t = 4.5 s entspricht der Form der Frequenzschwankung. Also ist der Adaptivverstärker (wie auch der PLL) ein Bandpassfilter, dessen Mittenfrequenz automatisch auf die Frequenz des Eingangssignals abgestimmt wird.The timing diagrams of the signals in the adaptive low frequency selective amplifier are at FM input voltage V (1) = 10 -9 · SIN (2π · 60t + Φ (t)) = 10 -8 · SIN (2π · 60t + (0.4 / 0.05) · SIN (2π · 0.05t)) (1) (with the parameters: center frequency 60 Hz, modulation stroke 0.4 Hz, modulation frequency 0.05 Hz and frequency fluctuation dΦ / dt = 2π × 0.4 × COS (2π × 0.05 t)) (2) in 3 shown. The length of the modeling is 50 s. On the diagrams of voltages V (1) on the input ( 4 ) of the adaptive amplifier and V (3) on the output ( 7 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) you can not see the instantaneous voltages, and you can only see the envelopes. The amplitude of the input signal is 10 nV = 10 -8 V, and the amplitude of the output signal after t = 4.5 s fluctuates about 100 mV = 10 -1 V. The shape of the voltage V (2) on the control input ( 6 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) after t = 4.5 s corresponds to the shape of the frequency fluctuation. So the adaptive amplifier (as well as the PLL) is a band-pass filter whose center frequency is automatically tuned to the frequency of the input signal.

Der Adaptivverstärker hat eine hohe Verstärkung, eine hohe Frequenzselektivität und eine einfache Struktur.The adaptive amplifier has high gain, high frequency selectivity, and simple structure.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Fig. 1

1
spannungsgesteuerter Verstärker
2
Verstärker
3
Phasendemodulator
4
Eingang des Adaptivverstärkers
5
erster Eingang des spannungsgesteuerten Verstärkers (1)
6
zweiter Eingang des spannungsgesteuerten Verstärkers (1)
7
Ausgang des spannungsgesteuerten Verstärkers (1)
8
Eingang des Verstärkers (2)
9
Ausgang des Verstärkers (2)
10
erster Eingang des Phasendemodulators (3)
11
zweiter Eingang des Phasendemodulators (3)
12
Ausgang des Phasendemodulators (3)
13
Ausgang des Adaptivverstärkers
(1), (2), (3), (4)
die Nummern der Knoten der Schaltung im Programm Micro-Cap 7
Fig. 2
Mag(v(3))
Amplitudenfrequenzkennlinien des spannungsgesteuerten Verstärkers (1)
Mag(v(4))
Amplitudenfrequenzkennlinien des Verstärkers (2)
ph(v(3))-ph(v(3))
Differenz der Phasenfrequenzkennlinien der Verstärker (1), (2)
Fig. 3
v(1)
Spannung auf dem Eingang (4) des Adaptivverstärkers
v(2)
Spannung auf dem Steuereingang (6) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1)
v(3)
Spannung auf dem Ausgang (7) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1)
Fig. 1
1
voltage controlled amplifier
2
amplifier
3
phase demodulator
4
Input of the adaptive amplifier
5
first input of the voltage controlled amplifier ( 1 )
6
second input of the voltage controlled amplifier ( 1 )
7
Output of the voltage controlled amplifier ( 1 )
8th
Input of the amplifier ( 2 )
9
Output of the amplifier ( 2 )
10
first input of the phase demodulator ( 3 )
11
second input of the phase demodulator ( 3 )
12
Output of the phase demodulator ( 3 )
13
Output of the adaptive amplifier
(1), (2), (3), (4)
the numbers of the nodes of the circuit in the program Micro-Cap 7
Fig. 2
Mag (v (3))
Amplitude frequency characteristics of the voltage controlled amplifier ( 1 )
Mag (v (4))
Amplitude frequency characteristics of the amplifier ( 2 )
ph (v (3)) - ph (v (3))
Difference of the phase frequency characteristics of the amplifiers ( 1 ) 2 )
Fig. 3
v (1)
Tension on the entrance ( 4 ) of the adaptive amplifier
v (2)
Voltage on the control input ( 6 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 )
v (3)
Voltage on the output ( 7 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 )

Claims (1)

Adaptivverstärker, aufweisend einen Eingang (4) und einen Ausgang (13), bestehend aus – einem Phasendemodulator (3), – einem spannungsgesteuerten Verstärker (1) und – einem Verstärker (2), wobei – ein erster Eingang (5) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) mit einem Eingang (8) des Verstärkers (2) und mit dem Eingang (4) des Adaptivverstärkers verbunden ist, – ein Steuereingang (6) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) mit einem Ausgang (12) des Phasendemodulators (3) verbunden ist, – ein Ausgang (7) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) mit einem ersten Eingang (10) des Phasendemodulators (3) und mit dem Ausgang (13) des Adaptivverstärkers verbunden ist, – ein Ausgang (9) des Verstärkers (2) mit einem zweiten Eingang (11) des Phasendemodulators (3) verbunden ist, und wobei – der Arbeitsbereich unterhalb der Resonanzfrequenz des Verstärkers (2) liegt, und wobei – wenn sich die Frequenz des sinusförmigen Signals am ersten Eingang (5) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) von der Resonanzfrequenz des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) unterscheidet, auf dem Ausgang (12) des Phasendemodulators (3) und auf dem Steuereingang (6) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) eine Spannung erscheint, die die Resonanzfrequenz des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) solange ändert, bis die Resonanzfrequenz der Frequenz des sinusförmigen Signals am ersten Eingang (5) des spannungsgesteuerten Verstärkers (1) gleich wird.Adaptive amplifier, having an input ( 4 ) and an output ( 13 ), consisting of - a phase demodulator ( 3 ), - a voltage-controlled amplifier ( 1 ) and - an amplifier ( 2 ), where - a first input ( 5 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) with an input ( 8th ) of the amplifier ( 2 ) and with the entrance ( 4 ) of the adaptive amplifier is connected, - a control input ( 6 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) with an output ( 12 ) of the phase demodulator ( 3 ), - an output ( 7 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) with a first input ( 10 ) of the phase demodulator ( 3 ) and with the output ( 13 ) of the adaptive amplifier is connected, - an output ( 9 ) of the amplifier ( 2 ) with a second input ( 11 ) of the phase demodulator ( 3 ), and wherein - the working range below the resonant frequency of the amplifier ( 2 ), and wherein - when the frequency of the sinusoidal signal at the first input ( 5 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) from the resonant frequency of the voltage controlled amplifier ( 1 ), on the output ( 12 ) of the phase demodulator ( 3 ) and on the control input ( 6 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) a voltage appears which is the resonant frequency of the voltage controlled amplifier ( 1 ) until the resonance frequency of the frequency of the sinusoidal signal at the first input ( 5 ) of the voltage-controlled amplifier ( 1 ) becomes equal.
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DE69126862T2 (en) * 1990-01-23 1998-02-05 Governors Of Paisley College O AMPLITUDE CONTROL CIRCUIT
US6246285B1 (en) * 1999-10-18 2001-06-12 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha AGC circuit based on a peak detection system

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