К низкочастотному тракту радиотехнических устройств обнаружения препятствий, точечных радиотехнических датчиков и измерителей скорости относят: генератор модулирующего сигнала передатчика, тракт усиления и ограничения сигналов, схемы компенсации, низкочастотный фильтр, схемы выделения полезного сигнала, коррелятор, исполнительное устройство. В качестве модулирующего сигнала может использоваться гармонический синусоидальный или шумовой сигнал.
Генератор шумового сигнала. В качестве первичных источников шума могут использоваться различные элементы: резисторы, полупроводниковые приборы, электронные и газоразрядные лампы, фотоэлементы и т. д. При выборе конкретного первичного источника шума учитывают ряд следующих факторов: простоту последующих преобразований сигнала, стабильность параметров генерируемых сигналов по времени при изменении питающих напряжений и окружающих условий, взаимозаменяемость приборов, срок службы и т. п. Немаловажным условием является однородность элементов первичного источника шума с остальными элементами схемы генератора шума. Учитывая перечисленные факторы в РТОП, в качестве первичного источника шума используют полупроводниковые элементы.
Полупроводниковые диоды и триоды нашли довольно широкое применение в схемах первичных источников шума. При этом, как правило, они работают не в типовых режимах, а в режимах, обеспечивающих наибольшую интенсивность шумов. В полупроводниковых приборах различают четыре составляющие внутреннего шума: тепловой, дробовой, так называемый 1/f шум и шум в области пробоя р-n-перехода. Шум в области пробоя р-n-перехода нашел наиболее широкое применение в генераторах случайных сигналов. Резкое возрастание шумов возникает при подаче на р-n-переход напряжения, близкого к пробивному. Появление этих шумов обусловлено возникновением так называемых микроплазм - участков с сильно возросшей концентрацией носителей заряда. Микроплазмы возникают из-за неоднородностей р-n-перехода, связанных с неравномерным распределением примесей, местных механических напряжений, и т. д. Микроплазмы хаотически возникают и рассасываются, при этом сопротивление р-n-перехода то резко падает, то вновь возрастает. Изменение сопротивления р-n-перехода приводит к появлению на сопротивлении нагрузки напряжения, изменяющегося по случайному закону как по амплитуде, так и по частоте.
На практике широко применяют полупроводниковые диоды-стабилитроны, использующие механизм лавинного пробоя. В области возникновения лавинного пробоя (при токах 0,01-0,5 мА) у них, как и у других приборов с таким же механизмом пробоя, наблюдаются шумы „возникновения”.
Статистические характеристики шума генератора зависят прежде всего от тока, протекающего через диод. На рис. 4.7, а показана схема генератора шума, построенного на стабилитроне.
Интенсивность шумов (рис. 4.7, б) меняется с изменением формы кривой спектральной плотности шума (рис. 4.7, в). Интенсивность шумового сигнала имеет экстремальное значение, которое при увеличении сопротивления нагрузки возрастает. При малых значениях сопротивления нагрузки (Rи ≤ 1 кОм) экстремальный характер интенсивности шума выражен слабо.
Для осуществления модуляции в СВЧ генераторе радиотехнического устройства, а также для нормальной работы устройств необходим значительно больший уровень шумового сигнала, чем тот, который имеется на выходе первичного источника. С этой целью первичный источник шума подключают к усилителю шумового напряжения. Основными требованиями, предъявляемыми к таким усилителям, являются: широкополосность 0,05—8 мГц, линейность коэффициента усиления во всем диапазоне уровней входного сигнала, линейность амплитудно-частотной характеристики, стабильность выходных параметров.
На рис. 4.8. показана принципиальная схема генератора шума, используемого в качестве источника опорного и модулирующего сигналов в радиотехнических устройствах обнаружения препятствий. Усилитель генератора шума является широкополосным с полосой пропускания 0,05-7 мГц и обладает коэффициентом усиления Ку≈2-103. Неравномерность частотной характеристики усилителя не превышает 3 дБ на уровне 0,7. Кривая 1 (рис. 4.9) соответствует спектральной плотности шума генератора на выходе первого звена усилителя (выход транзистора VT3), а кривая 2 соответствует уровню шумового сигнала на выходе усилителя.
Рис. 4.8. Принципиальная схема генератора шума
Рис. 4.9. Зависимости спектральной плотности шума на выходе генератора шума от частоты
Для повышения термостабильности схемы генератора шума в нем используют разнополярные транзисторы (ГТ-311, ГТ-313). С целью выравнивания амплитудно-частотной характеристики предусмотрены цепи R26C11 HR19C10C28 (см. рис. 4.8).
Генератор модулирующего сигнала (ГМС). Основное назначение ГМС - генерация переменного напряжения, достаточного для осуществления амплитудной модуляции генератора СВЧ колебаний, построенного на ЛПД, и одновременное использование этого напряжения в качестве опорного сигнала. Использование ГМС позволяет существенно упростить схему приемника РТД.
Выбор частоты генерации ГМС в основном определяется помеховой обстановкой в месте установки РТД и требуемым быстродействием работы. Анализ этих факторов показывает, что частота модулирующего сигнала должна находиться в диапазоне 100-200 кГц. При этой частоте ГМС обеспечивается быстродействие работы РТД не более 100 - 200 мкс и практически отсутствует влияние помех, создаваемых тяговыми системами. Дальнейшее увеличение частоты ГМС возможно, если требуется обеспечить более высокое быстродействие. Выбор частоты ГМС выше 0,8-1 мГц нецелесообразен из-за возникающих трудностей построения генератора. Более низкие частоты (единицы килогерц) приводят к уменьшению быстродействия работы РТД и помехозащищенности.
Рис. 4.10. Схема генератора модулирующего сигнала
На рис. 4.10 показана одна из возможных схем построения ГМС. Первичный источник автоколебаний собран на микросхеме MC1I. Частота генерации определяется значениями элементов С1 и R*. При указанных номиналах в схеме частота может быть изменена в диапазоне 70 - 180 кГц. При изменении номинальных значений С1 и R* частота генерации может быть изменена от десятков герц до 1,5 мГц. Оконечные каскады ГМС собраны: предварительный усилитель на транзисторе КТ315, согласующий каскад на транзисторе КТ602.
Выходное напряжение схемы представляет собой сигнал прямоугольной формы с уровнем 4 В. Частота генерации f(рис. 4.11) изменяется незначительно в диапазоне 100— 200 кГц при изменении напряжения источника питания от 4 до 6 В. Такая нестабильность частоты генерации ГМС практически не оказывает влияния на работу РТД. Объясняется это тем, что усилитель приемника радиотехнического датчика представляет собой широкополосный усилительный каскад. Помехозащищенность устройства обеспечивается высокоизбирательным входным устройством.
Аналоговые корреляторы.
Рис. 4.11. Частотные характеристики ГМС
Коррелятор является одним из основных узлов радиотехнических устройств обнаружения препятствий. Коррелятор осуществляет операции перемножения одного или двух сигналов, сдвинутых по времени на интервал т, интегрирует произведение сигналов и выдает управляющее напряжение. Основным его узлом является перемножитель сигналов. По принципу действия и схемному построению коррелятор близок к фазовому и синхронному детектору. Принципиальное отличие этих устройств состоит в том, что в корреляторах ведется обработка случайных сигналов.
По спектру частоты обрабатываемых сигналов корреляторы делят на пять классов: инфранизкочастотные (меньше 1 Гц), низкочастотные (1 - 20 Гц), звуковые (20 Гц - 20 кГц), высокочастотные или ультразвуковые (20 кГц — 10 мГц) и СВЧ (более 20 мГц) [15].
Выходные сигналы современных корреляторов могут быть представлены в Виде напряжения постоянного тока, частоты, кода, шумового напряжения и т. д. В соответствии с этим корреляционные устройства делят на три группы: аналоговые, цифровые и аналого-цифровые.
Прежде чем рассматривать работу схем корреляторов, следует отметить, что построение их сопряжено с определенными трудностями: необходимость обработки широкополосных сигналов с шириной спектра до 10 МГц и более, согласование входов корреляторов с датчиками в широком спектре частот и т. п.
Как правило, согласующие устройства строят с использованием катодных или эмиттерных повторителей, коэффициент передачи которых 0,95 - 0,98. Входное сопротивление эмиттерных повторителей на биполярных кремниевых транзисторах обычно составляет 15—30 кОм, что в ряде случаев недостаточно. Использование составных транзисторов, хотя и повышает входное сопротивление, однако входная емкость первого транзистора снижает значение входного сопротивления на высоких частотах.
Наиболее оптимальной является схема гибридного повторителя, построенная на полевом и биполярном транзисторах (рис. 4.12), в цепь обратной связи которой включен стабилитрон или конденсатор [15].
Рис. 4.12. Принципиальная схема повторителя на полевом и биполярном транзисторах
Обратная связь нейтрализует входную емкость. Такой повторитель обладает коэффициентом передачи, равным 0,98, входной емкостью около 1 пФ и имеет входное сопротивление около 2 МОм на частоте 100 кГц. При необходимости увеличить коэффициент передачи до значения 0,99 - 0,999 используют операционные усилители постоянного тока с коэффициентом усиления (0,2-2)-103.
Аналоговый коррелятор (рис. 4.13, а) содержит перемножающее устройство на диоде VD1, интегрирующее звено на конденсаторе С3 и усилитель постоянного тока на микросхеме МС. С помощью данного коррелятора можно обрабатывать широкополосные сигналы с шириной спектра от 20 кГц до 20 мГц [43].
Рис. 4.13. Аналоговый коррелятор:
а - принципиальная схема; б — амплитудно-частотная характеристика; в — выходные характеристики
Переменная ошибка коррелятора, определяемая по значениям корреляционных функций, главным образом
Рис. 4.14. Аналоговый перемножитель на дифференциальном усилителе а — принципиальная схема; б и в — амплитудные характеристики частотной части приемника-детектора СВЧ сигнала либо с выхода усилителя приемника.
Выходное напряжение перемножителя, представляющее собой постоянный сигнал, подается на решающее пороговое устройство или при необходимости на дополнительный усилитель постоянного тока.
Как видно из амплитудных характеристик перемножителя (рис. 4.14, б, в), он обладает высокой чувствительностью. Его характеристики практически постоянны в диапазоне частот входного сигнала от 0,015 до 10 МГц, что свидетельствует о равномерности АЧХ.
Выходное напряжение перемножителя в основном определяется уровнем опорного напряжения Uвх. 2 и практически не изменяется при изменении входного напряжения Uвх.1 в интервале 50-1000 мВ.
Высокий уровень выходного напряжения, снимаемого с перемножителя, позволяет подключать непосредственно к его выходу пороговую решающую схему без предварительного усиления.
Описанная схема перемножителя может использоваться в качестве синхронного фазового детектора аналоговых сигналов, в устройствах автоматического регулирования и слежения.
Усилитель-ограничитель. Принципиальная схема усилителя- ограничителя (УО) радиотехнического датчика показана на рис. 4.15. Входной синусоидальный сигнал с частотой вырабатываемой ГМС подается с выхода детекторной камеры на вход предварительного каскада усиления (транзистор VT1). Помимо усиления, этот каскад осуществляет согласование СВЧ детектора с основным усилителем, построенным на интегральной микросхеме А1. Предварительный каскад усиления работает при пониженном напряжении питания, снимаемом с резистора R1, и обеспечивает усиление сигнала на 3 дБ при малом уровне собственных шумов.
На транзисторе VT2 собрана схема эмиттерного повторителя с регулируемым уровнем выходного напряжения, снимаемого с резистора R8. Этим сопротивлением регулируется чувствительность УО. Микросхема D11 и D12 служит в качестве ограничивающего каскада.
Рис. 4.15. Усилитель-ограничитель
передатчика 3-4 мВт. В реальных условиях работы РТД расстояние между антеннами составляет 2 - 3 м.
Линейность амплитудной характеристики усилителя 
сохраняется при уровне входного сигнала от 100 мкВ до 2; 5 мВ на частотах 120-200 кГц.
Усилитель приемника точечного радиотехнического датчика (РТД) выполнен с резистивной нагрузкой и является широкополосным. Устойчивое ограничение сигнала микросхемами D11 и D12 наступает при уровне входного сигнала, равном 250 мкВ.
Устройство фиксации. Устройство фиксации (УФ) предназначено для регистрации наличия или отсутствия сигнала при определении занятости контролируемого участка в зависимости от структуры радиотехнического датчика.
Требования, предъявляемые к путевым датчикам, в том числе и к радиотехническим, в основном определяют функциональное построение устройства фиксации. В связи с этим УФ могут быть инерционные (с памятью) и безынерционные.
На рис. 4.16, а показана функциональная схема устройства фиксации с регулируемой памятью. При поступлении сигнала от усилителя-ограничителя на вход интегратора И после истечения времени интегрирования (накапливания заданного числа входных импульсов) происходит срабатывание триггера Т, чем регистрируется наличие сигнала на входе УФ. Для приведения триггера в исходное состояние служит схема сброса, состоящая из генератора Г и делителя частоты Д.
Рис. 4.16. Структурные схемы устройств фиксации: а - с регулируемой памятью; б и в — безынерционные
Изменяя частоту генератора или коэффициент деления частоты, можно изменять время хранения в памяти триггера информации о поступившем на его вход сигнале. Время хранения информации в памяти триггера, определяемое схемой сброса, может изменяться от нескольких микросекунд до десятков секунд. Стабильность формируемого интервала времени определяется стабильностью частоты генерации и коэффициентом деления делителя частоты. Такое построение УФ целесообразно использовать в каналах приема отраженного от препятствия сигнала.
При отсутствии схемы сброса информация в триггере сохраняется до тех пор, пока на вход сброса не поступит соответствующая команда. Например, при комбинированном варианте построения РД (см. п. 3.3) такую команду может формировать один из приемных каналов, осуществляющих дублированную проверку занятости контролируемого участка.
Безынерционное устройство фиксации (рис. 4.16, б) выполняет операции ограничения О входного сигнала, интегрирования И и подачи сигнала на ключевое устройство К.
Входной сигнал, поступая, от УО (рис. 4.16, в), на ограничитель УФ микросхемы D11 и D12, дополнительно нормируется по амплитуде и подается на интегратор. Интегратор выполнен на элементах R и С. Время интегрирования входного сигнала выбирают соответствующим подбором элементов R и С. При достижении уровня сигнала на интеграторе требуемого значения срабатываем ключевой элемент D13. Элемент D14 используется в качестве инвертора.
Таким образом при поступлении входного переменного сигнала на вход УФ на его выходе вырабатывается напряжение логической 1 через время т, равное времени интегрирования элементами RC и С. При пропадании сигнала на входе логическая 1 на выходе переходит в логический 0 практически через то же время т, так как разряд конденсатора С происходит через сопротивление R и открытый переход транзистора микросхемы D12. Использование подобной схемы УФ целесообразно при построении РТД, осуществляющего непрерывный контроль свободности контролируемого участка, когда занятость регистрируется экранированием излучаемого передающей антенной сигнала, а также в мобильных радиотехнических датчиках.
Принципиальная схема оконечного устройства РТД с возможностью регулирования времени памяти исполнительного триггера показана на рис. 4.17. Функции интегратора выполняет дискретный счетчик, построенный на микросхеме D1. При поступлении входного переменного сигнала с усилителя-ограничителя электронный счетчик, просчитав десять импульсов, выдает сигнал на инвертор D21, выход которого управляет работой триггера D3. Триггер переходит в единичное состояние.
Рис. 4.17. Принципиальная схема оконечного устройства РТД
Это состояние сохраняется в триггере до появления импульса сброса на его входе R, формируемом в схеме сброса D24, D5, D6, D7. Генератор схемы сброса, выполненный на схемах D41 и D42, непрерывно вырабатывает сигнал прямоугольной формы, который подается на схему И-НЕ (D43). При поступлении сигнала логической 1 на второй вход схемы D23 импульсы генератора транслируются в делитель частоты (D5, D6, D7,), коэффициент деления которого равен 103. Если период следования импульсов генератора равен Ти, то сигнал сброса на вход R триггера D3 поступит через время Ти/103. Изменяя частоту генерации с помощью конденсатора С1 или резисторов R1 и R2, можно изменять время формирования сигнала сброса. При указанных значениях элементов схема обеспечивает задержку сигнала сброса около 3 с.