Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

тель и приемник лучевого СО почти всегда располагаются в различных блоках, устанавливаемых на значительномрасстояниидруготдруга.Теперьдляполучения сигнала ИГ, необходимого в процессе выделения огибающей, его придется передавать по отдельному проводу или по специальному каналу связи. Канал должен быть достаточно высокочастотным, чтобы обеспечивать точность передачи фронтов импульсов по порядку величины не ниже одной микросекунды. Это настолько усложняет работу СО, что часто предпочтение отдается варианту ДО, который должен восстановливать огибающую, не имея информации о моментах активации передающего блока. В этом случае, если вблизи друг от друга работают два одинаковых лучевых СО, то приемник не сможет отличить «свои» импульсы от «чужих». Во-вторых, после прохождения сигналом фильтра Ф мы теряем информацию о наличии его постоянной составляющей. Иными словами, быстрое исчезновение самого луча приведет к формированию сигнала тревоги, а медленное останется незамеченным. К подобной ситуации может привести старение элементов, постепенное смещение передатчика или приемника, дрейф несущей частоты излучателя или загрязнение блоков. А может быть и простое экранирование луча посторонним предметом. СО медленно перестанет существовать, а все будут уверены в его работоспособности. Против этого лучевое СО должно иметь дополнительную цепь, следящую за наличием постоянной составляющей принимаемого сигнала. В эту цепь входит второй компаратор (К2). В случае длительного (более нескольких десятков секунд) ослабления луча ниже уровня, задаваемого порогом компаратора К2, должен быть сформирован сигнал тревоги.

Сигнал активного СО с отражением при появлении нарушителя возрастает (рис. 1.5.1г). Сигнал лучевого СО, наоборот, убывает (рис. 1.5.2б). Существует и третий тип активных СО – активные СО со взаимодействием. Они составляют значительную часть активных СО и занимают промежуточное положение между активными СО с отражением и лучевыми СО. В основном они имеют объемную ЗО за счет широких диаграмм направленности ИЭ и ЧЭ. В активных СО со взаимодействием имеется постоянная связь излучателя и приемника, а появление нарушителя приводит к изменению начального уровня сигнала, как в сторону его возрастания, так и убывания (рис. 1.5.3а). Например, если расположить два провода (один – излучающий электромагнитные волны, второй – принимающий) параллельно друг другу на расстоянии порядка нескольких метров, то появление человека в различных точках будет приводить то к увеличению уровня принимаемого сигнала за счет дополнительного отражения от человека, то к уменьшению сигнала за счет частичного перекрытия потока излучаемой энергии. Величина отношения максимального изменения сигнала ΔU к его постоянной составляющей U называется глубиной модуляции m = ΔU / U. Она часто измеряется в процентах и для различных типов СО составляет от несколких десятков до нескольких десятых долей процента. Типовая схема активного СО со взаимодействи-

ем (рис. 1.5.3б) ничем не отличается от схемы лучевого СО, кроме, возможно, наличия двух порогов у компаратора К. И это действительно так. Ряд лучевых СО превращается в объемные активные СО путем простой замены ИЭ и ЧЭ (так называемых передающих и приемных головок).

Рис. 1.5.3 Типовое активное СО со взаимодействием

Таким образом, по сравнению с рассмотренными ранее схемами пассивных СО (рис. 1.4.2) в активных СО появляются три дополнительных блока: ИГ, ИЭ и ДО. Для СО различных типов ИГ отличаются только значениями параметров выходных импульсных последовательностей, а ДО – наличием или отсутствием синхронизирующего сигнала с выхода ИГ. ИЭ различны для СО различных типов, поэтому далее будут рассмотрены варианты реализации ИГ и ДО.

Конечно, импульсный усилитель ИУ несколько отличается от просто усилителя У (рис. 1.4.2). Но только полосой усиливаемых частот. Ранее мы рассматривали вопрос выбора нижней FН и верхней FВ частоты для усиления прямоугольного импульса длительностью TИМП. Полученные оценки справедливы и в данном случае: FН ≈ 0,016 / TИМП; FВ ≈ 1,6 / TИМП. Так, например, для длительности TИМП = 1 мс частоты полосового усилителя составят от 16 Гц до 1600 Гц.

Импульсный генератор

Принцип действия ИЭ практически всегда состоит в формировании определенного типа излучения при подаче на него напряжения питания (или управляющего напряжения). В ответ на импульс напряжения следует импульс излучения той же длительности за исключением, возможно, небольших переходных процессов в начале и в конце импульса. В качестве ИЭ может выступать светодиод с оптической системой, диод Ганна с резонатором и антенной или генератор радиочастотного диапазона. Излучение формируется в течение всего времени, когда на ИЭ подается напряжение. Если оно подается непрерывно, то излучение ИЭ является непрерывным, а само активное СО называется непрерывным. Обычно управляющее напряжение подается в виде отдельных импульсов (рис. 1.5.4а), тогда и СО называется импульсным. Импульсное питание (или управление) ИЭ обеспечивает ряд существенных преимуществ СО по сравнению с непрерывным:

—низкое энергопотребление ИЭ, которое пропорционально отношению длительности импульса TИМП к периоду следования импульсов T, то есть

TИМП / T; мощность, потребляемая ИЭ, часто составляет основную часть мощности, потребляемой СО в целом;

—высокая степень маскировки, благодаря пониженному среднему уровню излучения;

—повышенная надежность, связанная с рациональным и экономным использованием ИЭ, общий ресурс которого бывает ограничен; время наработки на отказ ИЭ пропорционально тому же отношению TИМП / T; длительность непрерывной работы некоторых ИЭ невелика, поэтому при работе в непрерывном режиме их пришлось бы периодически менять на новые;

—высокая помехоустойчивость; непрерывный режим работы сопровождается столь высоким уровнем низкочастотных фликкер-шумов, что активные СО ряда типов, например, уличные оптические видимого диапазона длин волн, абсолютно неработоспособны, так как невозможно пересветить солнце, а активные СО других типов – имеют ограниченную дальность действия; спектр периодических импульсов лежит в узкой полосе высоких частот, так что последовательность искусственных световых вспышек будет отчетливо заметна даже на фоне значительной естественной засветки; в импульсном режиме возможно отстроиться от множества весьма интенсивных помеховых воздействий, он столь же важен для активных СО, как и гетеродин для радиоприема;

—безопасность для людей; большинство видов излучения не добавляет здоровья.

Рис. 1.5.4 Управляющие импульсы

Преимущества достигаются с помощью введения несложной схемы импульсного генератора (ИГ), на выходе которого формируется периодическая последовательность прямоугольных импульсов (рис. 1.5.4а). Активные СО с непрерывным излучением встречаются редко и лишь в тех случаях, когда результат взаимодействия излучения и ОО зависит не от мгновенного их состояния, а от всей предыстории процесса.

Все вышеперечисленные достоинства импульсного режима работы активных СО проявляются в наибольшей мере, если период следования импульсов T будет максимальным, а длительность импульса TИМП – минимальной. Выбрав слишком большой период T, мы рискуем пропустить самого мелкого и быстрого нарушителя, и с этой точки зрения период T должен быть минимальным, обеспечивающим обнаружение любого

ОО. После приема последовательности импульсов необходимо контролировать постоянство их амплитуды (рис. 1.5.4б). Обнаружив отклонение в одном импульсе, говорить о появлении нарушителя рано – это может быть импульсная наводка, муха, пылинка или сбой питания. Решение следует принимать после обнаружения подряд K «дефектных» импульсов (K = 2…8). Тогда максимальному периоду следования импульсов Tmax будут соответствовать минимальные размеры ОО bmin и максимальная скорость передвижения vmax, то есть Tmax = bmin / ((K+1)vmax). Здесь к значению K добавлена единица, так как момент появления нарушителя заранее неизвестен, а длительность импульса TИМП значительно меньше периода T. Данный факт поясняет рис. 1.5.4б, где полагается K = 2. Для худого человека bmin = 0,2 м и максимального значения скорости vmax = 7 м/с получим Tmax = 0,2 / ((K+1) × 7) = 0,0095…0,0032 с в зависимости от принятого в алгоритме обнаружения значения K в пределах от двух до восьми. Диапазон соответствующих частот составит fmin = 105…315 Гц. Напомним, что во избежание пропусков нарушителя период ИГ должен быть не более приведенной оценки Tmax (а частота – не менее fmin). Необходимо учитывать и стабильность генератора. Если K = 2, то частота кварцевого ИГ может быть установлена равной 105 Гц, а частота RC-генератора должна быть выбрана около 150 Гц с учетом ее возможного значительного дрейфа.

При оценке длительности импульса TИМП следует учитывать следующие факторы:

—ИЭ начинает излучать (с требуемыми параметрами) не сразу после подачи импульса напряжения питания (или управляющего напряжения); для большинства полупроводниковых ИЭ (светодиоды, диоды Ганна) время выхода на режим не превышает 1 мкс;

—ЧЭ также должен успеть выйти на рабочий режим, чтобы успеть эффективно и точно воспринять свою долю излученного импульса; здесь время выхода на режим обычно меньше, так как на ЧЭ постоянно подано напряжение питания, а величина принимаемого импульса невелика;

—излучатели и приемники обычно имеют высокую добротность, чтобы увеличить помехоустойчивость СО; добротность Q оценивается отношением несущей частоты излучателя F к ширине полосы частот ΔF, то есть Q = F / ΔF; известно, что чем выше добротность, тем дольше длится переходной процесс, который следует исключить из анализа принимаемых импульсов; амплитуда переходного процесса A(t) в зависимости от времени t описывается экспоненциальным законом A(t) = A0(1 – exp(–2πFt / 2Q)), где A0 – интересующее нас значение амплитуды установившихся колебаний; до уровня, соответствующего заданной глубине модуляции m, амплитуда A(t) возрастет за время τ, определяемое из выражения m = (A(τ) – A0) / A0 = exp(– πFτ / Q) или πFτ / Q = ln(1/m); поэтому время выхода на режим не может быть меньше, чем τ = Qln(1/m) / (πF); например, для генератора, ра-

Рис. 1.5.9 ИГ с использованием ГТИ

подается последовательность импульсов с периодом, равным требуемому значению периода следования импульсов ИЭ. Для f1 = 512 Гц получим T = 1/f1 = 1,952 мс. На счетный вход C счетчика DD2 подается импульсная последовательность более высокой частоты f2. В результате на его выходах 0…7 последовательно появляются положительные управляющие импульсы, которые могут использоваться, например, в таком порядке: включить питание (прогрев) ИЭ, перевести ИЭ в режим излучения, включить приемник излучения, провести считывание огибающей импульсных сигналов, выключить всё (предварительно выждав паузу). Каждое последующее включение в данном ряду требует небольшой задержки во времени для выхода на режим предыдущего элемента. Например, после начала излучения ИЭ следует выждать короткий промежуток времени для стабилизации его параметров, и лишь затем включить приемник излучения и т.д. На выходе Q микросхемы DD3 будет сформирован положительный импульс для включения ИЭ. Его длительность в четыре раза превышает период исходной последовательности импульсов 1/f2, то есть TИМП = 4/f2. Спустя период T вся последовательность действий повторится снова и т.д. Для f2 = 32768 Гц длительность излучаемого импульса составит TИМП = 4/f2 = 122,1 мкс (от фронта управляющего импульса на выходе 2 до фронта импульса на выходе 6 счетчика DD2). При необходимости все временные параметры ИГ данного типа легко изменяются как в сторону увеличения, так и уменьшения.

Детектор огибающей

Детектор огибающей (ДО) необходим для восстановления плавного сигнала из значений амплитуд отдельных импульсов в заданные моменты времени (рис. 1.5.1г). На вход ДО поступает последовательность почти прямоугольных импульсов различной амплитуды; на его выходе должна наблюдаться гладкая кривая, соединяющая амплитудные значения импульсов.

Простейший вариант подобного устройства – диодный ДО (рис. 1.5.10). Принцип его действия заключается в периодической подзараядке конденсатора C1 до уровня входных импульсов. В течение длительности

одного входного импульса TИМП конденсатор C1 должен успевать зарядиться через открытый диод VD2 до напряжения импульса, то есть RВЫХC1 < TИМП. Следовательно, его емкость должна быть достаточно малой C1 < TИМП / RВЫХ. Для типичных значений TИМП = 10 мкс и RВЫХ = 500 Ом получим ограничение C1 < 0,00001 / 500 = 0,02 мкФ. Это ограничение не слишком жесткое, так как можно допустить зарядку конденсатора за несколько периодов, тогда и значение C1 можно несколько увеличить. С другой стороны, значение емкости C1 должно быть достаточно большим, чтобы конденсатор не успевал разряжаться в паузе между импульсами. Поэтому R1C1 >> T или C1 >> T / R1. И это неравенство должно выполняться строго. Значение сопротивления R1 может быть большим (до 1…20 МОм), но его нельзя исключить полностью, так как при его отсутствии факт внезапного исчезновения импульсов будет долго оставаться незамеченным. Выбрав R1 = 1 МОм, для периода следования импульсов T = 0,002 с получим C1 >> 0,002 / 1000000 = 0,002 мкФ. В данном случае можно выбрать C1 = 0,01…0,02 мкФ, в других случаях ограничения на C1 могут оказаться несовместимыми и потребуется корректировка значений T и TИМП. Диод VD1 служит для восстановления постоянной составляющей на выходе схемы, он необходим в том наиболее распространенном случае, когда сигналы на вход диодного ДО поступают через разделительный конденсатор.

Рис. 1.5.10 Диодный ДО

Схема диодного ДО отличается предельной простотой и дешевизной. Однако, ее параметры не слишком стабильны, не только в связи с наличием конденсатора C1, но и с переменным смещением напряжения на диоде VD2. Выходной сигнал UВЫХ схемы сравнительно хорошо отслеживает нарастание импульсов, но гораздо хуже – их резкое уменьшение. На получаемой огибающей присутствует постоянное «дрожание». Все это ограничивает возможности применения схемы диодного ДО сравнительно большими значениями рабочей глубины модуляции сигнала m > 0,1…0,3.

Наилучшие результаты обеспечивает синхронный ДО (рис. 1.5.11). Он называется синхронным, потому что считывание амплитуды импульсов производится в строго определенные моменты времени, синхронизированные с импульсами, управляющими ИЭ (рис. 1.5.9б, сигналы считывания огибающей). Импульсы синхронизации СИ имеют логические уровни. Они определяют те моменты, когда переходные процессы завершились, уровень излучения стабилизировался и можно произвести считывание амплитуды входных импульсов UВХ. По сигналу высокого уровня на входе СИ открывается канал X2-X мультиплексора DD1 и конденсатор C1 заряжается до уровня амплитуды вход-