Информационно – измерительная система удалённого действия для контроля светового излучения

    •  Защита от непредвиденного изменения  полярности напряжения питания

    •  Подавление импульсных помех во входных  цепях встроенного преобразователя напряжения

    Механические  характеристики

    •  Корпус: KJW с монтажными элементами

    •  Извлекаемые клеммные колодки с  винтовой фиксацией; сечение жил  проводников от 0,5 до 2,5 мм.

    Условия эксплуатации

    •  Диапазон рабочих температур: от -10 до +70°С

    •  Диапазон температур при хранении: от -25 до +85°С

    •  Относительная влажность воздуха: от 5 до 95% без конденсации влаги 

    2.2 LUX LITE - Датчики видимого светового излучения.

    Датчик  LUX LITE предназначен для измерения видимого светового излучения. Датчик запроектирован специально для:

    мониторинга силы света,

    инженерского  дела освещения,

    контроля  освещения.

    Датчик LUX LITE можно применять в любых  атмосферных условиях. Датчик имеет  спектральную характеристику согласную требованиям CIE (Comission International d'Eclairage).

    В датчике LUX LITE употреблен полупроводниковый  элемент (фотодиод), которого выходное напряжение пропорциональное  падающему  излучению. Благодаря уникальной конструкции окошка (диффузора) его чувствительность пропорциональная косинусу угла падения излучения, что обеспечивает точность измерения.

    Диапазон  измерения                                                            0...200 kLx

    Чувствительность                                     10 mV/100 kLx (номинально)

    Область спектра                       отвечает области спектра глаза человека

    Ошибка  измерения напряжения                                                    <5%

    Ошибка  измерения направления                                       <10% (до 80)

    Время отклика                                                                          <0,1сек

    Диапазон  температур работы                                             -30...+70 °С

    Зависимость чувствительности от температуры            < +/- 0,2% /  °C 

    В качестве линии связи (ЛС) в разработанной  системе применим двухпроводный  экранированный низкочастотный кабель марки RG-6/4, образующий двухпроводную симметричную линию связи. Известно, что для выбранного нами кабеля (α) составляет 1,02 дБ на каждые 100 м. В разрабатываемой системе протяженность каждого участка линии связи (L) составляет 5000 метров, а, следовательно, полное затухание будет составлять:

                                       α_л = α^. L/100 = 1,02^.100 = 102 дБ

    Таким образом, блок усиления должен обеспечивать коэффициент усиления 100 дБ, т.е. усиливать в 30 раз.

    Коэффициент усиления каскада по напряжению:

                                                                                               

    

 

    Рисунок 2.1 – Структурная схема ИИС удалённого действия для измерения и контроля светового излучения.

2.3 РАСЧЕТ ДЕТЕКТОРОВ

     Принципиальная схема усовершенствованного варианта детектора приведена на рис. 1. На транзисторах VT1 и VT2 выполнен двухполюсник с отрицательным сопротивлением. Транзистор VT2 создает необходимую ПОС для возбуждения незатухающих колебаний.

 

Puc.1

     Частота генерации определяется параметрами контура L1C1C2 и внутренними емкостями транзисторов VT1, VT2. Резистор R1 определяет  режим работы генератора по постоянному току. Резистор R2. вместе с конденсатором С5 образуют фильтр нижних частот с частотой среза, равной приблизительно 300 кГц. Глубина ПОС задается резистором R3 и катушкой индуктивности L3. Сигналы ЧМ блоков выделяются широкополосным контуром L2C4, настроенным на среднюю частоту УКВ диапазона, а, через конденсатор С3 подаются на базу транзистора VT1.

Оптимальный режим работы детектора устанавливается  подбором величины ПОС (положительная обратная связь) по минимуму помех приему при достаточной величине полосы удержания принимаемых блоков. Величина ПОС регулируется подстроечником катушки индуктивности L3. При большом уровне принимаемых сигналов возможны помехи, связанные с прямым детектированием соседних по частоте блоков. Этот вид помех можно устранить, подобрав оптимальную длину кабеля. 

Исходными данными для расчета всех детекторов являются:

- значение промежуточной  частоты fпч;

- значения нижней (Fн) и верхней (Fв) частот модуляции;

- допустимые амплитудные искажения на нижних и верхних частотах    модуляции Mн = Mв = 1.1...1.2;

- входное  сопротивление (Rвх узч) и емкость (Cвх узч) выбранной ИМС УЗЧ (при отсутствии справочных данных можно принять Cвх узч = 20...30 пФ).  

Расчет  диодного детектора  АМ сигнала

Принципиальная схема диодного АД приведена на рис.1. Для снижения искажений и улучшения фильтрации сопротивление нагрузки детектора разделено на две части (R1 и R2). Потенциометр R2 является одновременно регулятором громкости. 

 

Для расчета  АМ детектора дополнительными исходными данными будут:

- нормальное  и максимальное значения коэффициента  модуляции m_Н = 0.3, m_МАКС = 0.9;

- значения  прямого (r_ПР) и в обратного (r_ОБР) сопротивления выбранного диода. Если в справочной литературе отсутствуют сведения о r_ПР и r_ОБР, их можно приближенно определить, используя значения прямого и обратного токов и соответствующих напряжений:  

r_ПР = U_ПР / I_ПР , r_ОБР = U_ОБР / I_ОБР .  

Расчет  детектора проводим для режима сильных  сигналов. Выбираем сопротивление нагрузки детектора для постоянного тока R_ПТ = 10...20 кОм. Далее рассчитываем значения R2 и R1:

, R₁ = R_ПТ - R₂.

Рассчитываем  сопротивление нагрузки детектора  для переменного тока с частотой модуляции 

R_НW = R₁ + R₂ R_{ВХ УЗЧ} / (R₂ + R_{ВХ УЗЧ} ). 

Определяем  входное сопротивление детектора

 

Выбираем  емкость нагрузки детектора из двух условий:

- допустимых  линейных искажений на максимальной  частоте модуляции

- малых  нелинейных искажений, обусловленных  избыточной постоянной времени  нагрузки детектора

Из двух значений выбираем меньшее и подбираем стандартные конденсаторы с емкостями:

C₁ = C_Н / 2 , C₂ = C_Н - C₁ - C_{ВХ УЗЧ}

Определяем  емкость разделительного конденсатора, исходя из допустимых искажений в  области нижних частот модуляции

 

Определяем  коэффициент фильтрации напряжения промежуточной частоты элементами схемы детектора:

- фильтром, образованным R_{ВХ Д}, C₁

K^/_Ф = 2 p f_ПЧ C₁ R_{ВХ Д} ,

- фильтром, образованным R₁, C₂

K^//_Ф = 2 p f_ПЧ (C₂ + C_{ВХ УЗЧ}) R₁ ,

- общий  коэффициент фильтрации

K_Ф = K^/_Ф * K^//_Ф . 

Рассчитываем  угол отсечки тока диода 

и коэффициент  передачи детектора

Оцениваем напряжение на входе УЗЧ на средних  частотах модуляции

U_{ВХ УЗЧ} = U_{ВХ Д} m_Н K_ДW (R_НW - R₁) / R_НW . 

Рассчитываем  требуемый коэффициент усиления УЗЧ 

K_УЗЧі (3...5) * U_{ВЫХ НОМ} / U_{ВХ УЗЧ} , 

где U_{ВЫХ НОМ} - номинальное напряжение звуковой частоты на динамической головке, имеющей сопротивление RДГ (U_{ВЫХ НОМ} = ).

 

Расчет  детектора ЧМ сигнала 

Типовая структура ИМС, выполняющих функции  ЧД, (К174УР1, К174УР3, К174ХА6 и др.) включает в себя несколько каскадов усилителя-ограничителя, аналоговый перемножитель и каскад УЗЧ. На рис.2 приведена нумерация выводов ИМС К174УР3. Нумерацию выводов ИМС других типов следует уточнить с использованием справочной литературы. 

 

 Работа  ЧД основана на преобразовании  частотно-модулированного колебания (ЧМК) в колебание с частотно-фазовой модуляцией (ЧФМК) и последующего фазового детектирования путем перемножения принятого и преобразованного колебаний. Роль преобразователя ЧМК в ЧФМК выполняет параллельный фазосдвигающий контур L_КC₁ и два конденсатора малой емкости C, обеспечивающие начальный фазовый сдвиг между и , равный p / 2. Контур настроен на промежуточную частоту f_ПЧ. Его ФЧХ вблизи резонансной частоты практически линейна. Для получения требуемой полосы пропускания контур зашунтирован резистором R_Ш.

Следует заметить, что функции фазосдвигающей цепи может выполнять и  последовательный колебательный контур, образованный L_К и 2_C, с частотой настройки w_ПЧ = . В этом случае емкость C₁ составляет несколько пикофарад и включается только для стабилизации собственной емкости катушки L_К.

Основной  задачей расчета ЧД является определение  параметров элементов фазосдвигающей цепи. Ниже приведен расчет для параллельного  колебательного контура.

Задаемся  требуемым значением полосы пропускания  эквивалентного контура DF_КЭ = (2...3) DF_С, учитывая, что при увеличении значения DF_КЭ снижаются нелинейные искажения сигнала, но одновременно происходит уменьшение крутизны детекторной характеристики. Определяем требуемое значение добротности эквивалентного контура Q_КЭ = f_ПЧ / DF_КЭ.

Выбираем  емкость конденсатора C₁. При f_ПЧ = 10.7 МГц емкость конденсатора должна составлять 300...470 пФ. С учетом влияния емкости монтажа и входной емкости ИМС принимаем значение емкости контура C_К приблизительно на 10...15 пФ больше емкости конденсатора C₁. Рассчитываем индуктивность контура L_К. Задавшись конструктивной добротностью контура Q_К = 80...100, рассчитываем проводимости: 

g_К = 1 / (w_ПЧ L_К Q_К),         

g_КЭ = 1 / (w_ПЧ L_К Q_КЭ) .

           

Определяем  сопротивление шунтирующего резистора 

R_Ш = 1 / ( g_КЭ - g_К - g_ВХ), 

где g_ВХ - проводимость ИМС со входов, к которым подключен фазосдвигающий контур. Ее значение приблизительно 3*10-5 См. 

Выбираем  значение емкостей последовательных конденсаторов 

C Ј 0.2 g_КЭ / w_ПЧ. 

Далее рассчитываем параметры цепи коррекции предыскажений (R_КЦ, C_КЦ). Принимая сопротивление R_КЦ = (0.07...0.1)R_{ВХ УЗЧ}, определяем  

C_КЦ = t_КЦ / R_КЦ, 

где t_КЦ = 50 мкс - значение постоянной времени корректирующей цепи в системах радиовещания.

На выходе ИМС помимо низкочастотного сигнала присутствует постоянное напряжение приблизительно равное половине напряжения питания, поэтому потенциометр регулятора громкости R₂ подключают через разделительный конденсатор C_Р1. Между потенциометром и входом ИМС УЗЧ необходим еще один разделительный конденсатор C_Р2. Задаемся сопротивлением R₂ = (0.3...0.5) R_{ВХ УЗЧ}. Рассчитываем