Сумматоры сигналов

При работе с аналоговыми сигналами часто требуется просуммировать сигналы с нескольких источников. Это требуется в режиссерский пультах, при работе нескольких передатчиков на одну антенну, при формировании полного сигнала из квадратурных составляющих. Сумматор — это устройство, формирующее на выходе напряжение или ток, пропорциональный сумме входных напряжений или токов.

Проще всего осуществить суммирование токов, согласно первому закону Кирхофа. Для этого в качестве источника входных сигналов следует применять генераторы тока. Тогда достаточно соединить выходы этих генераторов тока параллельно и мы осуществим суммирование аналоговых сигналов. Однако такое решение встречается достаточно редко. Чаще нам доступны источники напряжения, в этом случае преобразование напряжение-ток можно выполнить при помощи обыкновенных резисторов. Схема сумматора аналоговых сигналов, собранная на резисторах приведена на рисунке 1

Схема суммирования токов, собранная на резисторах
Рисунок 1. Схема простейшего аналогового сумматора

В данной схеме резисторы R1 и R2 служат для преобразования источника напряжения в источник тока, поэтому чем больше сопротивления этих резисторов, тем лучше они будут справляться со своей задачей. Суммарный ток, вытекающий из точки соединения резисторов на общий провод, преобразуется в напряжение на резисторе R3. Следует отметить, что сопротивление резистора R3 будет оказывать влияние на точность преобразования напряжение-ток на резисторах R1 и R2. Чем меньше будет сопротивление резистора R3, тем меньше будет это влияние. Однако малое значение сопротивления R3 приводит к малым значениям суммарного напряжения на выходе схемы аналогового сумматора.

На высоких частотах важно обеспечить согласование сопротивления со всех сторон. При соединении двух источников сигнала их сопротивления соединяются параллельно, что приводит к рассогласованию с нагрузкой и появлению отражений сигнала от точки суммирования. Для согласования волновых сопротивлений в высокочастотном сумматоре на резисторах применяют последовательное соединение резисторов, как это показано на рисунке 2.


Рисунок 2. Схема высокочастотного сумматора, собранная на резисторах

В этой схеме не показаны проводники с нулевым потенциалом, однако они обязательно должны присутствовать для протекания обратного тока. Для волнового сопротивления кабелей 75 Ом, применяемого в телевизионной технике, сопротивление резисторов в схеме должно быть 25 Ом, а для волнового сопротивления 50 Ом, применяемого в технике связи, сопротивление резисторов должно быть 16 Ом. В этом случае потери сигнала не превысят 3,5 дБ.

Приведенная на рисунке 2 схема может служить как для суммирования сигналов, так и для распределения мощности нескольким приемникам, поэтому она может называться сплиттером (расщепителем) мощности. Подобное устройство обычно выполняется в виде отдельного, конструктивно законченного изделия. Один из вариантов конструктивного выполнения высокочастотного сумматора приведен на рисунке 3.


Рисунок 3. Внешний вид сумматора мощности

В схеме суммирования токов точность суммирования можно значительно увеличить, применив трансформатор. При трансформировании напряжения одновременно производится преобразование сопротивления. Повышающий трансформатор обладает малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением. В результате можно значительно увеличить точность суммирования аналоговых сигналов.

Обычный трансформатор редко используется в схеме сумматоров аналоговых сигналов. Это связано с тем, что на низких частотах лучшими характеристиками обладает схема сумматора, реализованная на операционном усилителе, а на высоких частотах трудно изготовить качественный широкополосный трансформатор. Тем не менее схемы на высокочастотных трансформаторах широко используются для реализации телевизионных сумматоров. В них трансформаторы на длинных линиях обеспечивают достаточно высокую развязку между входами. Это позволяет обойтись без дополнительных аттенюаторов или усилилителей. Пример принципиальной схемы сумматора ТВ сигналов приведен на рисунке 4

схема двухканального телевизионного сумматора
Рисунок 4. Принципиальная схема двухканального телевизионного сумматора

В схеме ТВ сумматора, приведенной на рисунке 4, резистор R1 обеспечивает входное сопротивление 75 Ом (между входами получается дифференциальное сопротивление 150 Ом). Обмотки трансформатора, входящего в схему телевизионного сумматора, должны быть максимально идентичными. Конструктивное исполнение трансформатора приведено на рисунке 5.

трансформатор сумматора высокочастотных сигналов
Рисунок 5. Конструктивное исполнение трансформатора в сумматоре телевизионных сигналов

Для обеспечения волнового сопротивления 70 ... 80 Ом диаметр провода выбирают 0,25 ... 0,35 мм длину трубок выбирают равной 20 мм. Пример конструктивного выполнения сумматора с развязкой входов между собой приведен на рисунке 6.

Внешний вид сумматора мощности
Рисунок 6. Сумматор с развязкой входов между собой

Так как схема приведенного устройства абсолютно симметрична относительно выхода, то она может быть использована в качестве сплиттера (делителя мощности) для подключения нескольких радиоприемников к одной антенне.

Сумматоры телевизионных сигналов строят и на фильтрах. Классическим примером является суммирование сигналов с антенн МВ и ДМВ диапазонов, которые достаточно далеко разнесены по частоте. Подобным же образом выполняются схемы сумматоров радиосигнала передатчиков различных диапазонов частот в схемах сотовых телефонов. Пример принципиальной схемы сумматора ТВ сигналов приведен на рисунке 6.

Схема сумматора на фильтрах НЧ и ВЧ
Рисунок 6. Схема сумматора ТВ сигналов с выхода антенн МВ и ДМВ диапазонов

В современных схемах все чаще в качестве трансформатора сопротивлений применяется фильтр низких частот (или полосовой фильтр) с низким входным и стандартным выходным сопротивлениями. В качестве генератора тока удобно использовать коллекторную цепь биполярного транзистора или стоковую цепь полевого транзистора. Этот вариант выходного каскада часто предлагается широкополосными интегральными микросхемами. В результате сумматор аналоговых сигналов образуется параллельным включением микросхем с токовым выходом, нагруженных на фильтр с низким входным сопротивлением. Подобная схема приведена на рисунке 7.

Схема сумматора токов
Рисунок 7. Схема широкополосного аналогового сумматора токов

Более известна схема сумматора аналоговых сигналов, построенная на операционном усилителе. Усилитель, конечно, может быть любой. Но именно операционный усилитель позволяет получить наилучшие качественные характеристики сумматора сигналов, амплитудно-частотная характеристика которого может начинаться от нулевой частоты (постоянного тока). В данных схемах используется свойство параллельной обратной связи уменьшать входное сопротивление усилителя. За счет большого коэффициента усиления операционного усилителя входное сопротивление практически равно нулю. Поэтому развязка между каналами получается практически идеальной. Схема сумматора сигналов на операционном усилителе приведена на рисунке 8.

Схема сумматора на операционном усилителе
Рисунок 8. Схема сумматора сигналов на операционном усилителе

В схеме сумматора, выполненного на операционном усилителе, также как и в схеме резистивного сумматора, приведенной на рисунке 1, весовые коэффициенты суммирования зависят от соотношения резисторов R1 и R2. При проектировании сумматора с одинаковыми весовыми коэффициентами по входам 1 и 2, номиналы сопротивления резисторов R1 и R2 выбирают одинаковыми. Отношения сопротивлений резисторов R1 и R3 определяют абсолютное значение коэффициента передачи сумматора по входу 1. При этом коэффициент передачи может быть как больше единицы (схема обладает усилением), так и меньше единицы (схема ослабляет сигнал). При суммировании сигналов с очень низкой частотой, близкой к постоянному току, в схему может быть добавлено сопротивление между инвертирующим входом ОУ и общим проводом схемы. Оно предназначено для компенсирования влияния входного тока операционного усилителя на выходное напряжение. Сопротивление этого резистора рассчитывается как параллельное соединение резисторов R1, R2 и R3.

Дата последнего обновления файла 01.05.2018

Литература:

  1. Шило В. Л. "Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре" под ред. Е.И. Гальперина — М.: "Сов. радио" 1974
  2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника — М.: ДМК Пресс, 2008
  3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники — М.: Мир, 1998
  4. Сумматоры сигналов (http://ruslan-kv.chat.ru/)
  5. ООО «Технологии Радиосвязи» Делитель/сумматор 70/140 МГц 1/2 ТИШЖ.468523.016

Вместе со статьей "Сумматоры сигналов" читают:

Дифференциальный усилитель
http://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/DiffKask/

Дифференциальный усилитель
http://digteh.ru/WLL/atten/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2017

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс

Поиск по сайту сервисом ГУГЛ

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС). А.В.Микушин является автором более 70 научных и научно-методических работ, в том числе 16 монографий и учебников.

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Рейтинг@Mail.ru


Яндекс.Метрика
Rambler's Top100