10028

Преобразователи частоты. Общие принципы преобразования частоты

Конспект

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Тема 4. Преобразователи частоты Занятие 1. Общие принципы преобразования частоты Учебные методические и воспитательные цели: 1. Изучить сущность принципов преобразования частоты. 2. Изучить схемы и принципы работы диодных преобразователей ...

Русский

2013-03-20

950.5 KB

187 чел.

PAGE  33

Тема 4. Преобразователи частоты

Занятие 1. Общие принципы преобразования частоты

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить сущность принципов преобразования частоты.

2. Изучить схемы и принципы работы диодных преобразователей частоты.

2. Совершенствовать навыки конспектирования учебного материала, развивать инженерное мышление.

3. Воспитывать высокую воинскую дисциплину и исполнительность.

Время 2 часа.

План лекции.

пп

Учебные  вопросы

Время

(мин.)

I.

II.

III.

ВВОДНАЯ  ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ  ЧАСТЬ

1. Основы теории преобразования частоты.

2. Простые и сложные диодные преобразователи

частоты

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ  ЧАСТЬ

5

80

40

40

5

Литература:

1. Якушенко С. А., Ершов Ю. К., Журбин Г. Е., Романов А. Г. Основы схемотехники. Учебное пособие: В 2ч. Новочеркасск, НВИС, 2004. Ч. 2 , С. 81-105.

2. Теплов Н.Л. Нелинейные радиотехнические  устройства. Ч. I. – М.: ВИ, 1982.- С. 100-120, 124-137.

Материальное обеспечение:

1. Плакат "Диодные преобразователи частоты".

2. Демонстрационное мультимедийное оборудование с набором демонстраций по теме.

I. ВВОДНАЯ  ЧАСТЬ

Данная лекция посвящена изучению основ теории преобразования частоты, а также изучению устройства и принципа действия диодных преобразователей частоты (ПЧ).

II. ОСНОВНАЯ  ЧАСТЬ

1. Основы теории преобразования частоты

Вспомним, как воздействует гармоническое колебание на нелинейный элемент (НЭ).

В зависимости от положения начальной рабочей точки (НРТ) и амплитуды входного сигнала различают:

линейный режим НЭ (режим малого сигнала, рассмотрен в теме № 1) (рис. 1, а);

нелинейный режим без отсечки тока (рис. 1, б);

нелинейный режим с отсечкой тока (рис. 1, в).

При линейном режиме положение РТ в процессе работы НЭ влияет лишь на величину постоянной составляющей, и не влияет на форму коллекторного тока, который совпадает с формой приложенного напряжения.

При нелинейном режиме форма коллекторного тока зависит от положения РТ. Ток в этом случае представляет собой сложное периодическое колебание, состоящее из ряда гармоник частоты входного сигнала.

Рассмотрим пример работы НЭ без отсечки тока.

Пусть на входе НЭ действует напряжение u=u0+UmCost, тогда при аппроксимации передаточной характеристики степенным полиномом вида

i=ao+a1u+a2u2+…+anun ,                                                      (1)

ток i(t) в общем виде может быть записан так:

i(t)=Io+Im1Cost + Im2Cos2t + Im3Cos3t +… .                              (2)

Т.о., при воздействии на НЭ гармоническим сигналом с частотой , через него протекает ток, в составе которого наряду с первой гармоникой с частотой  присутствуют все последующие гармоники: 2, 3, и т.д.

Такое воздействие мы рассматривали при анализе работы оконечных каскадов усиления.

Рассмотрим случай, когда на НЭ воздействуют одновременно два гармонических колебания (рис. 2):

u1=Um1Cos1t,                                             (3)

u2=Um2Cos2t.

Для упрощения анализа воспользуемся аппроксимацией передаточной характеристики полиномом второй степени:

i=ao+a1u+a2u2.                                                      (4)

На входе НЭ напряжение равно сумме двух напряжений

u1+ u2=Um1Cos1t+ Um2Cos2t ,                                       (5)

тогда ток в цепи определяется выражением

i = a0+a1(u1+u2)+a2(u1+u2)2 .                                         (6)

Определим спектральный состав тока, для этого подставим (5) в (6). При этом второе слагаемое выражения (6) примет вид:

a1(u1+ u2) = a1(Um1Cos1t+ Um2Cos2t) = a1Um1Cos1t + a1Um2Cos2t .   (7)

Третье слагаемое:

a2(u1+ u2)2 = a2(Um1Cos1t+ Um2Cos2t)2 = a2Um12Cos21t + a2Um22Cos22t +

+ 2a2Um1Cos1tUm2Cos2t = a2 ·½ ·Um12 +a2 ·½ ·Um12Cos21t + a2 ·½ ·Um22 +

+ a2 ·½ ·Um22Cos22t + 2a2Um1Um2  ·½·Cos(1 + 2)t +

+ 2a2Um1Um2  ·½·Cos(1  2)t = ½·a2(Um12 + Um22) + ½·a2Um12Cos21t+

+ ½ ·a2 Um22Cos22t + a2Um1Um2 Cos(1 + 2)t + a2Um1Um2  Cos(1  2)t.      (8)

Примечание. Справочные формулы:

(a+b)2=a2+2ab+b2 (*),  Cos2a = ½ + ½· Cos2a (**),   

Cosa · Cosb =½·( Cos(a+b)+Cos(a-b))  (***).

Т.о., в спектре коллекторного тока присутствуют составляющие с частотами: 1, 2, 21, 22, (1 + 2), (1  2).

Если аппроксимация передаточной характеристики проводилась бы полиномом третьей степени, то в составе коллекторного тока учитывались бы еще и другие составляющие: 31, 32, (1 ± 22), (21 ± 2), т.е. в общем случае при аппроксимации полиномом n-ой степени спектр будет содержать гармоники и составляющие, частоты которых определяются выражением:

±p1 ± q2,                                                       (9)

где p и q – целые числа (0, 1, 2, 3, …), причем p+ q  n, n - степень аппроксимирующего полинома.

Если в цепь, содержащую НЭ, включить избирательную нагрузку (КК, фильтр) (рис. 3), то на выходе можно выделить одно или несколько близких по частоте комбинационных колебаний. По такому принципу строятся модуляторы, демодуляторы, преобразователи частоты.

На данной лекции рассмотрим преобразователи частоты.

Преобразователь частоты – устройство, осуществляющее безискажённый перенос спектра сигнала из одной области частот в другую. Условное графическое обозначение преобразователей частоты представлено на рис. 4.  

Все преобразователи строятся по схеме рис. 5.

Как мы выяснили преобразование частоты связано с воздействием на НЭ двух и более колебаний. При этом можно выделить два характерных случая:

1. Амплитуды колебаний велики настолько, что для обоих из них нелинейность НЭ проявляется. Этот случай нелинейного преобразования частоты.

2. Амплитуда первого колебания мала, а 2-го - велика. Этот случай соответствует параметрическому преобразованию частоты.

1. Случай нелинейного преобразования частоты рассмотрен ранее. Напомню, когда ВАХ представлена полиномом n-й степени, спектр будет содержать гармоники и комбинационные составляющие, частоты которых определяются выражением (9) . Амплитуды этих составляющих нелинейно зависят от амплитуд входных колебаний. Такой случай, как правило, нежелателен для многих радиотехнических устройств.

2. При параметрическом преобразовании частоты первое напряжение имеет настолько малую амплитуду (0,51 В), что нелинейность ВАХ не проявляется (несущественна), а второе напряжение имеет значительную амплитуду (в 10 100 раз большую). Первым напряжением U1(t) является сигнал, а вторым U2(t), - дополнительное колебание специального генератора (гетеродин, подставка, несущая и т.п.). Для наглядности выполним построения, взяв квадратичную  ВАХ нелинейного элемента (рис. 6).

Нижняя часть ВАХ (до точки А) имеет квадратичную характеристику, а верхняя часть - линейную. Поэтому график крутизны имеет два участка - наклонный и горизонтальный. Под действием напряжения гетеродина в цепи будет протекать ток . Напряжение гетеродина  изменяет во времени смещение рабочей точки для напряжения , а участок ВАХ на котором действует малое колебание практически можно считать линейным. Перемещение РТ по ВАХ приводит к изменению параметра S для малого колебания. От этого и произошло название преобразования как параметрического.

Воздействие двух колебаний, как видно из графика тока, привело к возникновению сложного колебания. Осуществим анализ спектрального состава тока. Поскольку амплитуда первого колебания мала, то ток НЭ в основном определяется током от действия второго колебания . Влияние же первого источника с большой степенью точности можно учесть добавкой тока от действия первого колебания, равной , где  - крутизна характеристики в РТ, изменяющееся под воздействием . Тогда полный ток НЭ:

.                                              (10)

Из рис.8 и выражения (10) видно, что для малого сигнала   НЭ является линейным, но с переменным параметром – крутизной, которая изменяется линейно (по периодическому закону) во времени под воздействием . Такой элемент называется параметрическим.

При произвольной ВАХ НЭ спектральные составляющие тока будут иметь частоты,  определяемые соотношением:

,                                                  (6)

где   ,  n - степень полинома аппроксимирующего ВАХ.

Это напоминает выражение для частот  случая  нелинейного преобразования (1). Отличие состоит в значениях коэффициента "p". Следовательно, при параметрическом преобразовании  в  спектре отсутствуют гармонические составляющие колебания  U1(t), второго и более высокого порядка, а также  комбинационные  составляющие с их участием.

В качестве нелинейных элементов пассивных преобразователей частоты используются диоды, обеспечивающие хорошие характеристики преобразования на частотах вплоть до десятков мегагерц. В первом приближении ВАХ диода можно представить двумя отрезками прямых (рис. 7), что является характеристикой линейного диодного ключа.

В открытом состоянии данный ключ представляет собой для приложенного сигнала независящее от напряжения малое сопротивление r, а в закрытом – постоянное, но большое сопротивление R. Вольтамперные характеристики диода имеют заметную кривизну, особенно вблизи начала координат (рис. 8).

Чтобы приблизить режим реального диодного ключа к линейному, напряжение несущего колебания (коммутирующее колебание) берётся достаточно большим, а напряжение преобразуемого сигнала – малым. Чем больше напряжение несущей частоты, тем быстрее рабочая точка пройдёт криволинейный участок характеристики Оа и выйдет на почти прямолинейный участок аб (рис. 10). Чем меньше напряжение преобразуемого сигнала, тем более прямолинейным будет рабочий участок аб. Напряжение несущего колебания выбирается в пределах 0,5  1 В, а напряжение преобразуемого сигнала в 10 – 100 раз меньше.

Итак, преобразователь частоты может быть построен на основе нелинейного или параметрического преобразования. При параметрическом преобразовании получается более чистый спектр, и оно является предпочтительнее, поэтому  в дальнейшем будем рассматривать параметрическое преобразование.

Схему преобразователя можно представить состоящей из двух элементов параметрического элемента (ПЭ) и фильтра (рис.9,а), где параметрический элемент состоит из нелинейного элемента (элементов) и генератора рис. 9,  . В технике радиосвязи иногда применяют термин смеситель, под которым понимают НЭ и фильтр рис. 9, в, г.

В качестве НЭ могут применяться: диод, транзистор, электронная лампа и т.д.

Основными параметрами преобразователя частоты являются коэффициент преобразования Кпр = Umпр/ Umс, где: Umпр, Umс - амплитуда напряжения на выходе, входе преобразователя; входная и выходная проводимости.

Основные требования, предъявляемые к преобразователям частоты:

- высокий Кпр,

- чистый спектр на выходе ПЧ (подавление побочных составляющих),

- отсутствие просачивания колебаний гетеродина на вход преобразователя,

- широкий динамический диапазон, т.е. способность ПЭ оставаться "линейным" к сигналу, изменяющемуся в широких пределах.

Классификация ПЧ

В зависимости от сложности схемы различают ПЧ: простые; сложные.

В зависимости от типа НЭ различают ПЧ: диодные, транзисторные, ламповые.

Таким образом, в аппаратуре связи, как правило, применяется параметрическое преобразование частоты. При этом амплитуда  гетеродина  в десять и более раз превышает  амплитуду  сигнала,  а  рабочий участок ВАХ нелинейного элемента подбирается близким к  квадратичной зависимости. В этом случае число комбинационных составляющих минимально, что существенно облегчает дальнейшее подавление побочных колебаний.

Контрольные  вопросы:

1 . Что называется преобразованием частоты ?

2. Назовите виды преобразования частоты, чем они отличаются ?

3. Состав и назначения основных элементов функциональной схемы ПЧ ?


2. Простые и сложные диодные преобразователи частоты

Простой диодный преобразователь частоты (ПДПЧ)

Простым  диодным  преобразователем  частоты называют ПЧ с одним диодом в качестве НЭ.

На рис. 10, а, б  представлены упрощённая и рабочая схемы простого диодного преобразователя частоты.

Характеристика схемы

Простой диодный преобразователь частоты с последовательным включением диода, избирательной нагрузки  и  гетеродина.

Состав и назначение элементов схемы.

ТV1V2 - высокочастотные трансформаторы. Вторичные обмотки трансформаторов ТV1 и ТV2 образуют с  конденсаторами С1 и С2 колебательные контура, которые служат для выделения колебаний с частотой генератора fг и сигнала fс соответственно.

VD - нелинейный элемент, диод. Вместе с источником колебаний частоты генератора (ТV1, С1) диод образует ПЭ.

- L3, C3 - избирательная нагрузка преобразователя - для выделения комбинационной составляющей требуемой частоты.

Физические процессы:

Рассмотрим ключевой режим работы, который обеспечивается значительной амплитудой напряжения гетеродина U  12 В. В этом случае ВАХ НЭ VD аппроксимируется отрезками прямых, а крутизна НЭ (S) принимает два значения: 0 и Smax (рис. 11).

На зажимы 5, 6 подаётся напряжение исходного сигнала Uс, а на зажимы 1, 2 – напряжение несущей частоты (генератора) Uг. Амплитуда напряжения несущей частоты Uг должна во много раз превышать амплитуду напряжения исходного сигнала Uс, т.е. выполняться условие параметрического преобразования Uг >> Uс.

Предположим, что при положительных полуволнах напряжения несущей частоты на зажим 7 диода поступает положительный потенциал, а на зажим 8 – отрицательный. В этом случае диод VD открывается, его сопротивление становится малым (примерно 50 – 200 Ом) и через нагрузку Rн, будет протекать ток. При отрицательных полуволнах напряжения несущей диод закрывается, его сопротивление становится очень большим (сотни кОм). Для упрощения рассуждений примем, что сопротивление "закрытого" диода бесконечно велико. Тогда при отрицательных полуволнах напряжения несущей частоты ток на выходе схемы будет равен нулю.

Амплитуда импульсов тока на выходе модулятора определяется соотношением фаз и амплитуд напряжения несущего колебания и сигнала. Положим, что в период времени T1 (рис. 12, а) положительная полуволна напряжения сигнала и положительные полуволны напряжения несущей частоты (рис. 12, б) находятся в фазе, т. е. воздействующее на диод напряжение равно их сумме. В этом случае амплитуды импульсов тока увеличиваются. В другой отрезок T2 отрицательная полуволна напряжения сигнала и положительные полуволны напряжения несущей частоты будут находиться в противофазе, т. е. на диод воздействует напряжение, равное их разности. В этом случае амплитуды импульсов тока уменьшаются. Суммарное напряжение Uс + Uг будет иметь вид, представленный на рис. 12, в. Следовательно, при постоянном значении напряжения несущей частоты амплитуды импульсов тока нагрузки Rн зависят от соотношения их фаз и величины амплитуды напряжения сигнала, а их длительности положительных полупериодов напряжения несущей частоты (рис. 12, г).

Расчёты параметров простого диодного преобразователя частоты показывают, что его входная и выходная проводимости определяются в основном типом  нелинейного элемента VD и режимом его работы, а величина Кпр даже в самом  лучшем  случае не превышает 0,5.

Достоинства:

- простота;

- малый уровень шумов;

     Недостатки:

- наличие тока несущей частоты в преобразованном сигнале;

- малый коэффициент преобразования;

- малый динамический диапазон;

- просачивание колебаний  частоты гетеродина на вход схемы;

- большое число комбинационных составляющих в составе тока смеси;

- большое рабочее затухание;

- сложность согласования с нагрузкой.

Применение

ПДПЧ служит основой для построения более сложных схем балансных и кольцевых диодных ПЧ и применяется самостоятельно в диапазоне СВЧ, например, в радиорелейной станции Р-404 (Р-414).

Таким образом, ПДПЧ, как правило, является составной частью сложных схем ПЧ, поэтому основные соотношения полученные при его анализе могут быть использованы для анализа сложных схем преобразователей частоты.

Балансный диодный преобразователи частоты (БДПЧ)

Балансным диодным преобразователем частоты называют ПЧ с двумя диодами в качестве НЭ.

Схема балансного диодного преобразователя частоты приведена на рис. 13.

Характеристика схемы

БПЧ с входным и выходным дифференциальными трансформаторами, причем выходной трансформатор нагружен на избирательную нагрузку (фильтр).

Гетеродин включен в диагональ моста, образуемого диодами и дифференциальными трансформаторами ТV1 и ТV2.

Состав и назначение элементов:

VD1,VD2 - НЭ. Совместно и источником Uг образуют ПЭ, который служит для "обогащения" спектра.

TV1,TV2 - дифференциальные трансформаторы. Служат для согласования ПЭ с источником сигнала и нагрузкой.

Ф - фильтр - для выделения из состава сложного тока ПЭ требуемой составляющей и определяет вид устройства (модулятор, демодулятор, преобразователь частоты).

Физические процессы:

НЭ VD1 и VD2 могут работать в нелинейном и параметрическом режимах, причем предпочтительнее параметрический режим обеспечивающий лучшую "чистоту" спектра  тока  сложной формы iсм.

Исходный сигнал Uс подается на входные зажимы 1, 2.

Напряжение несущей частоты Uг подается в средние точки дифференциальных трансформаторов с зажимов 5, 6.

При одинаковом числе витков в полуобмотках ТV1 и ТV2 и равных сопротивлениях диодов VD1 и VD2 образуется схема уравновешенного моста. При положительных полуволнах напряжения несущей частоты и отсутствии сигнала на входе модулятора диоды Д1 и Д2 открываются, в верхней ветви схемы возникает ток i1, в нижней ветви – ток i2. При полной уравновешенности схемы i1=i2. Если по полуобмоткам TV2 протекают равные, но противоположно направленные токи, то возникают равные и также противоположно направленные магнитные потоки. Суммарный магнитный поток равен нулю, следовательно, ЭДС и ток несущей частоты г, а также его гармоники 2г, 3г на входе и выходе схемы отсутствуют. Ток в нагрузке возникает при подаче на вход преобразователя напряжения сигнала uс.

Предположим, что в период времени T1 (рис. 14, а) положительные полуволны напряжения несущей частоты (рис. 14, б) и напряжения сигнала в верхней ветви преобразователя совпадают по фазе, а в нижней ветви они находятся в противофазе. В этом случае ток в верхней ветви будет больше тока в нижней ветви и результирующий магнитный поток, создаваемый этими токами в первичной обмотке трансформатора TV2, создаст в нагрузке ПФ ряд импульсов тока (рис. 14, в). В другой период времени T2 отрицательная полуволна напряжения сигнала и положительные полуволны напряжения несущей частоты в верхней ветви будут находиться в противофазе, а в нижней ветви – в фазе. В результате в нагрузке ПФ возникнут импульсы тока противоположной полярности.

Продолжительность каждого импульса тока соответствует продолжительности одной положительной полуволны напряжения несущей частоты, а амплитуда импульсов определяется значением амплитуды сигнала в каждый момент времени.

При отрицательных полуволнах тока несущей частоты диоды закрыты и ток на выходе преобразователя равен нулю.

Таким образом, избавленный от ряда побочных составляющих ток смеси протекает через фильтр и создает на его выходе напряжение пропорциональное току той комбинационной составляющей, на которую он настроен. Расчёты параметров БДПЧ показывают, что величина Кпр остается такой же как у ПДПЧ, а входная и выходная проводимости уменьшаются в 2 раза.

Достоинства:

- меньший расход мощности несущего колебания;

- простота, экономичность ввиду отсутствия источников питания;

- малый уровень собственных шумов;

-отсутствие просачивания напряжения генератора Uг на вход преобразователя;

- отсутствие сигнала генератора на входе фильтра и более чистый спектр, чем у простейших ПЧ.

Недостатки

- малый коэффициент преобразования;

- в спектре тока смеси присутствуют колебания с частотой сигнала;

- необходимость симметрирования второй обмотки трансформатора;

- входное и выходное сопротивления меняются в соответствии с изменением сопротивления диодов.

Кольцевой диодный преобразователь  частоты (КДПЧ)

Кольцевым диодным преобразователь частоты называют ПЧ с четырьмя диодами в качестве НЭ (рис. 15).

Характеристика схемы

КПЧ с дифференциальными входными и выходными трансформаторами, причем, выход последнего, нагружен на фильтр. Генератор включен в диагональ моста, образуемого четырьмя диодами  VD1,VD2,VD3,VD4 и обмотками дифференциальных трансформаторов.

Состав и назначение элементов аналогичны БДПЧ, добавляются лишь два диода VD3 и VD4.

Физические процессы:

Схема двойного балансного (кольцевого) ПЧ (рис. 15) содержит четыре диода VD1 - VD4, которые соединены последовательно («по кольцу»). При положительных полуволнах напряжения несущей частоты диоды VD1 и VD2 будут открыты, а диоды VD3 и VD4 – закрыты, т. е. схема будет эквивалентна схеме балансного преобразователя частоты (рис. 13). При отрицательных полуволнах напряжения несущей частоты открываются диоды VD3 и VD4, а VD1 и VD2 закрываются, т. е. схема опять будет эквивалентна схеме балансного ПЧ. Кольцевой ПЧ как бы содержит две балансные схемы, поэтому его называют двойным балансным ПЧ.

Таким образом, напряжение гетеродина поочередно открывает и закрывает пары диодов VD1 и VD2, VD3 и VD4. При этом вторичная обмотка ТV1 то прямо, через VD1 и VD2, то перекрестно, через VD3 и VD4, подключается к первичной  обмотке ТV2. При этом контурный ток, обтекающий ТV2, меняет свое направление.

     На рис. 16 схематично показаны контурные токи  при  прямом (рис. 16, а) и перекрестном (рис. 16, б) включении обмотки.

При сбалансированной схеме и при отсутствии на входе модулятора напряжения сигнала токи несущей частоты в полуобмотках ТV1 и ТV2 как при положительных, так и при отрицательных полуволнах напряжений будут равны и противоположно направлены. Суммарный магнитный поток, создаваемый этими токами будет равен нулю, а, следовательно, ток несущей частоты г и его гармоники 2г, 3г и т. д. в нагрузке Rн будут отсутствовать. При подаче на вход схемы напряжения сигнала и несущей частоты в одной из ветвей схемы эти напряжения будут совпадать по фазе и суммироваться, а в другой – находиться в противофазе и вычитаться. В результате токи в ветвях схем становятся неравными между собой суммарный магнитный поток не равен нулю и в нагрузке Rн возникают импульсы различной полярности.

Для определения формы тока на выходе ПЧ предположим, что в период времени T1 (рис. 17, а) положительная полуволна напряжения сигнала и положительные полуволны напряжения несущей частоты в верхней ветви ПЧ совпадают по фазе и воздействуют на диод VD1, а в нижней ветви находятся в противофазе и воздействуют на диод VD2. В этом случае ток i1, протекающий через диод VD2. Отрицательные же полуволны напряжения несущей частоты и положительная полуволна напряжения сигнала воздействуют на диод VD3 в фазе, а на диод VD4 в противофазе. Поэтому ток i3, протекающий через диод VD3 будет больше тока i4, протекающего через диод VD4. В результате, как при положительных, так и при отрицательных полуволнах напряжения несущей частоты в нагрузке Rн возникнут импульсы тока. Поскольку ток i1 сдвинут на 180 по отношению к току i3, то полярность импульсов будет также сдвинута на 180 (рис. 17, в).

В период времени T2 (рис. 17, а) отрицательная полуволна напряжения сигнала и положительные полуволны напряжения несущей частоты на диод VD1 подаются в противофазе, а на диод VD2 – в фазе. При этом ток i2 будет больше тока i1. Отрицательные же полуволны напряжения несущей частоты и отрицательная полуволна напряжения сигнала на диод VD3 подаются в противофазе, а на диод VD4 – в фазе. В результате ток i4 будет больше тока i3. Так как ток i2 сдвинут по фазе на 180 по отношению к току i4, то и полярность импульсов тока при положительной и отрицательной полуволнах напряжения несущей частоты также сдвинута на 180 (рис. 17, в).

Достоинства КДПЧ

- существенное снижение рабочего затухания;

- хорошо согласуется с предшествующим и последующим каскадами;

- более чистый спектр, чем в БПЧ.

Контрольные вопросы:

  1.  Дать определение ПЧ.
  2.  Назвать состав и назначение основных элементов функциональной схемы ПЧ?

2. Перечислить основные достоинства балансного ПЧ?

3. Перечислить основные достоинства кольцевого (двойного балансного) ПЧ?

III. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ  ЧАСТЬ

Таким образом, в ходе лекции рассмотрена сущность преобразования частоты, познакомились со схемами диодных преобразователей частоты. Все рассмотренные схемы применяются в военной технике связи, поэтому знание их устройства и принципа действия необходимо при изучении конкретных образцов аппаратуры связи.

Задание на самостоятельную работу

  1.  Изучить материал по рекомендованной литературе. Дополнить конспекты лекций.
  2.  Ответить на контрольные вопросы и вопросы 4.1 - 4.4 II раздела ОК.

Текст лекции разработал:

Старший преподаватель кандидат технических наук доцент

полковник                    п\п             С. Токарев

Рецензент:

Заместитель начальника кафедры

кандидат технических наук

полковник               п\п                   А. Степанов

Тема 4. Преобразователи частоты

Занятие 2. Транзисторные преобразователи частоты

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить схемы, физические процессы в транзисторных преобразователях частоты.

2. Совершенствовать навыки конспектирования учебного  материала, развивать инженерное мышление.

3. Воспитывать высокую воинскую дисциплину, прививать интерес к радиоэлектронике и профессии офицера-связиста.

Время 2 часа.

План лекции.

пп

Учебные  вопросы

Время

(мин.)

I.

II.

III.

ВВОДНАЯ   ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ  ЧАСТЬ

I. Преобразователи частоты на транзисторах

2.Сравнительный анализ спектрального состава колебаний на выходе различных преобразователей частоты.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ  ЧАСТЬ

5

80

50

30

5

Литература:

  1.  Якушенко С. А., Ершов Ю. К., Журбин Г. Е., Романов А. Г. Основы схемотехники. Учебное пособие: В 2ч. Новочеркасск, НВИС, 2004. Ч. 2 289, С. 105-110
  2.  Теплов Н.Л. Нелинейные радиотехнические устройства. М.: Воениздат, 1983.- С. 137-142.

Материальное обеспечение:

1. Плакат "Диодные преобразователи частоты".

2.Демонстрационное мультимедийное оборудование с набором демонстраций по теме.

I. ВВОДНАЯ  ЧАСТЬ

Преобразователи частоты по типу применяемого НЭ делятся на пассивные и активные, а по способу получения напряжения гетеродина – на преобразователи с отдельным гетеродином и преобразователи с совмещенным гетеродином.

Активные преобразователи (в состав которых входит активный элемент), как правило, обеспечивают усиление преобразуемого сигнала, потребляют меньшую мощность от гетеродина и в ряде случаев позволяют совмещать функции преобразователя и гетеродина в одном и том же активном элементе (транзисторе, лампе). Применяются в радиоприёмных, радиопередающих устройствах, в аппаратуре многоканальной электросвязи и т.д.

II. ОСНОВНАЯ  ЧАСТЬ

1. Преобразователи частоты на транзисторах

Преобразователи частоты на биполярных транзисторах (ТПЧ)

ПЧ на биполярном транзисторе – это преобразователь, у которого в качестве НЭ используется биполярный транзистор.

Схема простого (однотактного) преобразователя частоты (рис. 1)

Рис. 1

Характеристика схемы:

Транзисторный ПЧ с фиксированным смещением за счёт делителя напряжения базы, с избирательной нагрузкой в виде параллельного контура, с полным включением коллекторной цепи в контур, с ёмкостной связью с источником сигнала и гетеродином, причем Uг подается в эмиттерную цепь, а Uc в базовую, с температурной стабилизацией режима по постоянному току.

Состав и назначение элементов:

VT1 – нелинейный и усилительный элемент. Вместе с гетеродином образуется ПЭ.

Lк, Cк – избирательный колебательный контур, настроенный на частоту fпр, например fпр=fc  - fг ;

RБрезистор, обеспечивающий фиксированное положение начальной рабочей точки на ВАХ;

Ср1, Ср2конденсаторы связи по переменной составляющей, отделяют источник сигнала и гетеродина от VТ1 по постоянной составляющей;

RЭрезистор для создания постоянной составляющей; эмиттерного тока и, кроме того, является нагрузкой гетеродина.

Физические процессы:

Для пояснения физических процессов используем рис.2

Начальная рабочая точка (НРТ) выбирается посередине нелинейного участка проходной ВАХ транзистора. Под действием напряжения Uг происходит изменение крутизны проходной характеристики транзистора S. Если  ко входу VТ1 приложить напряжение сигнала Uc, то в цепи коллектора будет протекать ток сложной формы, в спектре которого будут составляющие с частотами гетеродина и его гармоник, первая гармоника сигнала и комбинационные частоты. Так как Lк, Cк  настроен на частоту fпр=fc - fг, то на нем будет выделяться гармоническое напряжение этой частоты (Uпр).

Рис.2

Если на вход ПЧ подается модулированное колебание, то и на выходе ПЧ будет модулированное колебание, но с другой несущей (средней) частотой fпр .

Достоинство:

- большой Кпр.

Недостатки:

- большое количество составляющих в составе спектра коллекторного тока предъявляет высокие требования к избирательной системе;

- просачивание напряжения Uг во входную цепь;

- малый динамический диапазон по сигналу, т.е. при сигналах порядка десятков милливольт проявляется нелинейность ВАХ транзистора;

- необходимость источника питания;

- большая величина входной проводимости со стороны источника сигнала и гетеродина в особенности.

Таким образом, в заключении первого вопроса необходимо заметить, что поскольку биполярный транзистор кроме свойств нелинейности проявляет еще и свойства активного элемента, то одновременно с преобразованием происходит усиление, поэтому рассмотренная схема имеет большой Кпр, что является её основным достоинством.

Преобразователи частоты на полевых транзисторах

ПЧ на полевом транзисторе – это преобразователь, у которого в качестве НЭ используется полевой транзистор.

Схема ПЧ на полевом транзисторе приведена на рис.3

Рис. 3

Характеристика схема:

Преобразователь частоты на МДП транзисторе с каналом n-типа, с комбинированным смещением на оба затвора, с полным включением колебательного контура в стоковую цепь, с емкостной связью с источниками напряжения сигнала (Uc) и гетеродина (Uг).

Состав элементов:

VТ1  –  нелинейный и усилительный элемент, образующий вместе с гетеродином ПЭ;

Lк, Cк  – избирательный колебательный контур, настроенный на требуемую частоту;

R1 , R2 , R3 , R4 – делители напряжения для обеспечения требуемого напряжения смещения на первый  и второй затворы;

Ср1, Ср2  –  конденсаторы связи по переменной составляющей;

Rи, Си  –  элементы в цепи истока VТ1 для обеспечения температурной стабилизации начальной рабочей точки.

Физические процессы.

Напряжение гетеродина подается на второй затвор и управляет крутизной ВАХ  полевого транзистора. Если одновременно на первый затвор действует напряжение входного сигнала, по отношению к которому транзистор линейный элемент, то ток стока ic имеет сложную форму. В его состав входят различные составляющие, включая и требуемые. Колебательный контур Lк, Ск настроен на одну из них,. например fпр = fС - fГ и на колебательном контуре выделяется напряжение пропорциональное току этой составляющей (uпр).

Рис. 4

Благодаря наличию квадратичного участка ВАХ  и правильному выбору величин напряжения смещения по  второму затвору и амплитуды напряжения гетеродина Umг  крутизна ВАХ изменяется во времени по гармоническому закону (рис.4 б), т.е. имеет место линейно-параметрическое преобразование. Следовательно, в составе сложного тока стока  имеется минимальное число побочных составляющих, что в значительной степени ослабляет требования к качеству фильтра.

Достоинства схемы:

- большой Кпр, так как транзистор является активным элементом;

- большой динамический диапазон по сигналу, поскольку используется линейный участок ВАХ  (рис.4 а);

- высокая "чистота" спектра тока стока;

- малая величина входной проводимости.

Недостаток -  усложнение схемы.

Таким образом, очевидные достоинства преобразователя частоты на полевом транзисторе позволяют широко использовать его в аппаратуре связи.

Балансный активный и двойной балансный (кольцевой)

активный модуляторы

Практическое значение имеют балансная и двойная балансная схемы активных преобразователей По принципу балансировки и спектральному составу тока они одинаковы с соответствующими диодными. На выходе балансной схемы подавляется несущее колебание, а в схеме двойного балансного активного модулятора подавляется несущее колебание и преобразуемый сигнал.

Подобно своим диодным аналогам, транзисторный балансный преобразователь (рис.5) состоит из двух простейших, а двойной балансный (рис.6) состоит из двух балансных преобразователей.

Рис. 6

Особенностью схем этих транзисторных преобразователей заключается в том, что для токов сигнала каждый транзистор включён по схеме с Общим эмиттером, а для несущего колебания – по схеме с общей базой. За счёт этого получается максимальное усиление по мощности для преобразованного сигнала и минимальное – для нежелательного в нагрузке тока несущей частоты.

Основное достоинство активных преобразователей частоты:

одновременно с преобразованием производится усиление полезных боковых частот;

Резисторы R, включённые в цепь эмиттера, создают отрицательную обратную связь по току, что уменьшает амплитуды паразитных продуктов.

Недостатки активных преобразователей частоты.

более сложная схема по сравнению с диодными;

более низкая надёжность схема по сравнению с диодными;

трудность подбора пар или четвёрок транзисторов с малым различием параметров;

трудность обеспечения малого различия параметров транзисторов в процессе эксплуатации;

частотные свойства транзисторов хуже, чем точечных диодов;

Необходимость источника электропитания.

По этим причинам активных преобразователей частоты применяются там, где малые нелинейные искажения и хорошая шумовая защищённость имеют первостепенное значение.

В конце изложения вопроса преподавателю рекомендуется задать следующие вопросы:

1 . Какие элементы входят в состав широкополосного усилителя ?

2. Что такое амплитудная и амплитудно-частотная характеристики усилителя ?

3. Каким образом можно увеличить КПД усилителя ?

2. Сравнительный анализ спектрального состава колебаний

на выходе различных преобразователей частоты

Несмотря на простоту устройства простого (однотактного) преобразователя частоты он не нашёл широкого применения в частности из-за того, что на его выходе возникает множество паразитных продуктов преобразования, т.е. практически весь спектр частот, который может создать нелинейный элемент: n, m, m  n, где n и m равны 0, 1, 2. 3 и т.д. (рис. 7). Наличие на выходе тока несущей частоты затрудняет выделение одной из боковых полос   +   - .

Рис. 7

Таким образом, спектр токов в нагрузке простого (однотактного) преобразователя частоты сильно засорен побочными продукетами перобразования и имеет следующие особенности:

в нагрузке присутствует мощный ток несущей частоты и его чётные гармоники, включая нулевую (постоянный ток);

в нагрузке присутствует непреобразованный остаток тока сигнала (составляющая с частотой );

наряду с парой полезных боковых частот ( + ) и ( - ) имеется бесконечное число высших пар боковых частот m  n;

амплитуды боковых частот убывают пропорционально номеру гармоники их несущей (1; 1/2; 1/3  и т.д.).

Спектр частот на выходе балансных модуляторов (рис. 8) имеет следующие преимущества перед простым (однотактным) преобразователем частоты. На их выходе отсутствуют токи паразитных продуктов преобразования 2n, m и    2n, где m и n равны 1, 2, 3 и т.д. Отсутствие на выходе балансных преобразователей тока несущей частоты значительно упрощает выделение фильтрами нижней ( - ) или верхней ( + ) боковой частоты.

Рис. 8

Спектр двойного балансного (кольцевого) преобразователя имеет следующие особенности (рис. 9). На его выходе отсутствуют составляющие с частотой сигнала и его гармоник 2 и т.д, а также некоторые комбинационные частоты высшего порядка, например, 2  , 2  3 и т.д. Поскольку ток на сопротивлении нагрузки кольцевого преобразователя имеется при обеих полуволнах напряжения несущей частоты, то мощность полезных боковых частот    значительно выше, чем у балансных преобразователей частоты, т.е. он будет вносить наименьшее затухание сигнала.

Рис. 9

В конце изложения вопроса преподавателю рекомендуется задать следующие вопросы:

1 . Какие элементы входят в состав широкополосного усилителя ?

2. Что такое амплитудная и амплитудно-частотная характеристики усилителя ?

3. Каким образом можно увеличить КПД усилителя ?

III. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В ходе лекции рассмотрены различные варианты схем преобразователей частоты на транзисторах. Все рассмотренные схемы применяются в военной технике связи, но на практике наиболее широкое применение нашли преобразователи частоты с отдельным (не совмещенным) гетеродином (генератором), поэтому знание их  устройства и принципа действия необходимо при изучении конкретных образцов военной и другой техники связи.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал лекций и рекомендованной литературы по данной теме.

2. Дополнить конспекты лекций.

3. Самостоятельно по рекомендованной литературе изучить особенности работы активных балансного и двойного балансного (кольцевого) преобразователей частоты.

Текст лекции разработал:

Старший преподаватель кандидат технических наук доцент

полковник                    п\п             С. Токарев

Рецензент:

Заместитель начальника кафедры

кандидат технических наук

полковник               п\п                   А. Степанов

Тема 4. Преобразователи частоты

Занятие 3. Детекторы

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить принципы построения и функционирования амплитудных, частотных и фазовых детекторов.

2. Совершенствовать навыки конспектирования лекций. Развивать инженерное мышление.

3. Воспитывать интерес к профессии офицера-связиста.

Время: 2 часа.

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

(мин.)

I.

II.

III.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Амплитудные детекторы

2. Частотные и фазовые детекторы.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

80

50

30

5

Литература:

  1.  Якушенко С. А., Ершов Ю. К., Журбин Г. Е., Романов А. Г. Основы схемотехники. Учебное пособие: В 2ч. Новочеркасск, НВИС 2004. Ч. 2 С. 113-136.
  2.  Теплов Н.Л. Нелинейные радиотехнические  устройства. Ч. I. – М.: ВИ, 1982. С. 142-198.

Материальное обеспечение:

1. Плакат "Тракт промежуточной частоты КВ радиоприемника Р-155".

2. Демонстрационный комплекс на ПЭВМ с набором демонстраций.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Детектор - это нелинейное радиотехническое устройство, предназначенное  для преобразования высокочастотного модулированного колебания в низкочастотное колебание, пропорциональное первичному сигналу.

Детектор разделяет весь тракт приемника на две части - тракт радиосигнала и тракт первичного (низкочастотного) сигнала. Тракт радиосигнала обеспечивает необходимый уровень сигнала на входе детектора.

Детектор состоит из НЭ и ФНЧ (рис. 1). Фильтр низкой частоты осуществляет выделение первичного сигнала из состава тока НЭ и подавление его высокочастотных составляющих.

Напряжение модулированного сигнала на входе детектора снимается обычно с последнего каскада усилителя промежуточной частоты, представленного на рисунке генератором напряжения U с внутренним сопротивлением RГ. Подключение к детектору тракта НЧ будем учитывать сопротивлением внешней нагрузки ZН, на котором выделяется напряжение низкой частоты UΩ.

Классификация детекторов

По виду первичного сигнала детекторы делятся на: детекторы аналоговых сигналов (телефонных сигналов); детекторы дискретных сигналов (телеграфных сигналов); детекторы импульсных сигналов.

Детекторы аналоговых и импульсных сигналов должны воспроизводить формы первичных сигналов с минимальной среднеквадратичной ошибкой, детекторы дискретных (манипулированных) сигналов должны разделять (максимально различать) передаваемые сигналы, например двоичные.

В зависимости от параметра, который подвергается модуляции, различают амплитудные; частотные; фазовые.

В зависимости от типа электронных приборов, используемых в качестве НЭ, все детекторы делят на диодные, транзисторные, ламповые детекторы.

Основные параметры и характеристики детекторов

1. Коэффициент детектирования Кd. Для случая воздействия ВЧ гармонических колебаний с постоянной амплитудой , которому соответствует напряжение на выходе детектора,  

.

Например, для АД , т.е. определяется параметрами элементов детектора: крутизной ВАХ нелинейного элемента S и сопротивлением фильтра R.

2. Коэффициент фильтрации  

где Um  вых – величина напряжения ВЧ колебания на выходе детектора; Um  – величина напряжения ВЧ колебания на входе детектора.

3. Входное сопротивление Rвх d - это отношение комплексной амплитуды напряжения  высокочастотного колебания к комплексной амплитуде тока первой гармоники , вызываемого этим напряжением:

                                       (1*)

4. Детекторная характеристика (дано в конспекте) – это основная характеристика детекторов, которая показывает графическую зависимость постоянной составляющей тока НЭ или постоянного напряжения на выходе детектора от амплитуды входного напряжения при фиксированном значении сопротивления нагрузки: при R=const или .

Требования, предъявляемые к детекторам (дано к конспекте)

1. Минимум искажений, вносимых в переданные сигналы.

2. Больший коэффициент передачи (детектирования), определяемый отношением выходного напряжения детектора к напряжению промежуточной частоты на его входе.

Коэффициент передачи прямо пропорционален крутизне детекторной характеристики: , где - приращение напряжения на входе; - приращение значения модулированного параметра входного сигнала.

3. Высокий коэффициент фильтрации высокочастотных составляющих нагрузкой детектора.

4. Большое входное сопротивление  детектора, шунтирующее действие которого не должно уменьшать избирательных и усилительных свойств УПЧ, подключенного ко входу детектора.

  1.  Амплитудные детекторы

Амплитудные детекторы предназначены для детектирования амплитудно-модулированного колебания. Общий принцип работы амплитудного детектора показан на рис. 2.

Процесс детектирования включает в себя две операции:

преобразование спектра АМ колебания с целью воссоздать низкочастотные составляющие первичного колебания;

выделение этих составляющих из всей совокупности компонент преобразованного колебания.

Амплитудные детекторы выполняются на диодах, а также на усилительных лампах и транзисторах. В аппаратуре связи наиболее распространены детекторы на полупроводниковых диодах, т.к. они просты и обладают широким динамическим диапазоном.

Последовательный диодный амплитудный детектор (рис. 3)

Название схеме дано по способу соединения диода и резистора R относительно входа детектора.

Состав и назначение элементов

VD1  диод, нелинейный элемент;

R, C  RC-цепь фильтр нижних частот;

Lк, Cк – колебательный контур предыдущего каскада, подключение к  которому схемы АД может быть полным или частичным;

RН, CН - нагрузка детектора, определяемая входными параметрами следующего каскада;

Cp1 - разделительный конденсатор, сопротивление которого токам НЧ по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть пренебрежимо малым.

Физические процессы

 Для рассмотрения принципа работы детектора сделаем два допущения: ВАХ диода аппроксимирована отрезками прямых с изломом в начале координат

,

нагрузка и разделительная емкость влияния на работу АД не оказывают.

Пусть на вход детектора воздействует немодулированное колебание

.

Согласно второму закону Кирхгофа напряжение на диоде

.

Для пояснения физических процессов в схеме будем использовать временные диаграммы рис. 4. В начальный момент времени конденсатор С разряжен. Под воздействием входного напряжения через диод начинает протекать ток iv(t), который заряжает конденсатор C. Заряд будет продолжаться до тех пор, пока диод открыт, т.е. > и >0.

На графике изменяется от 0 до 1.

В следующий промежуток времени (1-2) при  uv(t)  0 диод заперт и конденсатор С разряжается через резистор R до тех пор, пока входное напряжение вновь не сравняется с выходным. Затем конденсатор подзаряжается (2-3), снова разряжается и так далее.

Из схемы и графиков видно, что диод работает с отсечкой тока. Угол отсечки и амплитуда импульсов тока диода в процессе установления уменьшается. Когда переходный процесс заканчивается, const. В установившемся режиме выходное напряжение продолжает немного пульсировать на рис. 4.

Для устранения пульсации добиваются, чтобы постоянная времени цепи RC была много больше периода высокочастотного колебания:

.

Уравнение для определения угла отсечки:

.                                           (4)

Уравнение (4) указывает на то, что угол отсечки не зависит от напряжений в схеме и определяется только параметрами ее элементов: крутизной аппроксимированной ВАХ диода S  и сопротивлением R.

.                                          (6)

Выражения (6) показывают, что входное сопротивление линейного детектора не зависит от детектируемого колебания и определяется лишь величинами S и R.

Так как обычно в практических схемах АД угол отсечки мал, то  и входное сопротивление

.

Фильтрация ВЧ составляющей в схеме АД осуществляется цепью: емкость диода СV – емкость фильтра С. При этом .

Так как , то коэффициент фильтрации

.

Практически стараются обеспечить , что соответствует значению коэффициента фильтрации .

Недостаток последовательных АД: если в составе входного колебания будет присутствовать постоянное напряжение, то, складываясь с U0 , оно сместит РТ и нарушит нормальную работу детектора.

В таких случаях следует применять схему параллельного АД (рис. 5), в котором резистор R включен параллельно диоду, а емкость С  также играет роль разделительного конденсатора, отделяя по постоянному току диод от источника колебания. Постоянное напряжение источника питания Е предыдущего каскада не влияет на положение РТ на ВАХ диода.

Однако в параллельной схеме выходное колебание снимается не с емкости С, а с самого диода. Поскольку напряжение на диоде содержит ВЧ составляющие, для их устранения обязательно включение дополнительного фильтра RфCф. При этом . Включение диода и резистора параллельно приводит к снижению входного сопротивления АД . Эти факторы наряду с усложнением схемы, ограничивают ее применение.

Искажения при амплитудном детектировании

Детектирование называют линейным, если амплитуда напряжение на выходе АД прямо пропорционально амплитуде напряжению входному колебанию. Линейность детектирования – это основное условие неискаженного воспроизведения огибающей амплитудно-модулированного сигнала. Искажения в АД возможны в основном по трем причинам:

1) За счет работы на нелинейном участке ДХ;

2) При неправильном выборе постоянной времени инерционной цепи;

3) Вследствие шунтирующего действия следующего каскада.

1. Искажения за счет работы на нелинейном участке ДХ обусловлены прежде всего изменением уровня сигнала в широких пределах.

Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник КГ, который находят обычным методом пяти ординат на рабочем участке ДХ (рис. 6).  

2. Искажения, возникающие при неправильном выборе постоянной времени инерционной цепи, являются результатом нарушения условия

<< << .

График 1 (рис. 7) соответствует случаю малого значения . Искажения проявляются в виде пульсаций. Количественно пульсации оцениваются коэффициентом пульсаций

.

Если , то . Практически пульсации не ощущаются при .

График 2 (рис. 7) - для большого значения , т.е. напряжение не успевает изменяться вслед за огибающей модулированного колебания. В результате напряжение на выходе близко к пилообразному. Для исключения этих искажений должно выполняться условие . Конкретным условием выбора постоянной времени инерционной цепи является  

.

Тогда в качестве расчетной берется величина ,  представляющая собой среднегеометрическое значение между границами последнего условия:

.

3. Если RН >>R  и  CН << C (например, когда нагрузкой является ламповый усилитель НЧ), то цепь нагрузки на работу детектора практически не влияет. Однако если параметры нагрузки соизмеримы с параметрами инерционной  цепи, то влияние нагрузки должно учитываться.

При значительном шунтировании инерционной цепи нагрузкой возникает ограничение выходного колебания (рис. 8). Ограничение тем сильнее, чем больше коэффициент модуляции  m  и чем меньше  RЭ по сравнению с R:

.

Условием детектирования без ограничения полезного сигнала имеет вид:

,

где коэффициент глубины модуляции , и последнее условие сводится к требованию  или .

В тех случаях, когда не удается удовлетворить условию детектирования без ограничения входного колебания, производят частичное включение нагрузки  по схеме с разделенной нагрузкой (рис. 9).

Кроме того, схемы АД вносят частотные искажения, которые определяются зависимостью амплитуды сигнала на выходе детектора от частоты при постоянной амплитуде напряжения источника сигнала. В ОНЧ уменьшение напряжение на выходе АД вызывается увеличением сопротивления разделительного конденсатора Ср , который вместе с резистором RН образует делитель напряжения. В ОВЧ уменьшение напряжения на выходе АД обусловлено шунтирующим действием параллельно подключенных к резисторам нагрузки R и  RН конденсаторов С и СН .

В настоящее время амплитудная модуляция при передаче непрерывных сообщений применяется редко. Однако схемы АД входят в состав частотных детекторов и других устройств, чем и объясняется их важность.

Контрольные вопросы:

  1.  В чем состоит суть детектирования сигналов?
  2.  Перечислите  основные элементы детектора и дайте их назначение.
  3.  Перечислите основные параметры и характеристики детекторов.
  4.  Зависит ли величина коэффициента детектирования от амплитуды напряжения на входи  диодного АД при линейном детектировании?
  5.  Зависит ли величина входного сопротивления АД от амплитуды входного напряжения?
  6.  Какие требования предъявляются  к детекторам?
  7.  От каких параметров и элементов зависит коэффициент фильтрации АД?
  8.  Поясните физические процессы детектирования амплитудно-модулированных колебаний с позиций «заряд-разряд» емкости ФНЧ.
  9.  Поясните причины искажения сигнала  в АД и способы их уменьшения.

2. Частотные и фазовые детекторы

(дано в конспекте)

Частотный детектор - это устройство, вырабатывающее напряжение, пропорциональное изменению частоты модулированного колебания, подаваемого на его вход.

Принцип работы ЧД поясняется следующей блок-схемой (рис. 10).

Балансный ЧД с двумя расстроенными контурами (дано в конспекте)

Назначение. ЧД предназначен для преобразования ЧМ колебаний в напряжение, пропорциональное первичному сигналу. Схема его приведена на рис. 11. В балансных ЧД принцип преобразования ЧМ-АЧМ основан на изменении амплитуды напряжений в расстроенных контурах.

Характеристика схемы. Частотный детектор с двумя расстроенными контурами и встречным включением двух последовательных диодных АД.

Состав и назначение элементов схемы:

- два взаимно расстроенных КК для преобразования частотно-модулированных колебаний в амплитудно-частотные модулированные колебания;

- два встречновключенных последовательных амплитудных детектора для выделения из АЧМ колебания первичного сигнала.

Физические процессы (не дано в конспекте)

С выхода амплитудного ограничителя ЧМ колебание UЧМ подводится через трансформаторную связь к КК. Эти контуры настроены в резонанс на частотах и , равноотстоящих от несущей частоты модулированного колебания fн. Резонансные кривые КК имеют вид, приведенный на рис. 12, а.

Напряжения на КК и находятся в противофазе вследствие соответствующего включения трансформаторной связи обмоток L1 и L2. Если частота сигнала UЧМ равна несущей fн, то на КК возникают равные по амплитуде напряжения. Поскольку параметры АД выбираются одинаковыми, то напряжения и на выходах детекторов будут одинаковы по величине и противоположны по знаку. Результирующее напряжение U0 на выходе равно нулю. При увеличении частоты ЧМ сигнала относительно несущей частоты амплитуда напряжения на первом контуре возрастает, а на втором уменьшается. Ток становится больше тока и на выходе ЧД появляется положительное напряжение U0, пропорциональное расстройке ЧМ сигнала. При уменьшении частоты сигнала относительно f0 на выходе ЧД появляется отрицательное напряжение U0, т.к. напряжение на выходе второго АД становится больше - напряжения на выходе первого АД.

Если в пределах девиации частоты ЧМ сигнала ДХ будет линейной (рис. 12, б), то изменения напряжения на выходе будут пропорциональны изменению частоты ЧМ сигнала.

(Дано в конспекте)

Достоинством схемы является высокая линейность детектирования при значительной девиации частоты по сравнению с одноконтурной схемой ПВМ.

Такой тип детектора называют линейным ЧД.

Применение

1. Для детектирования сигналов с ЧМ в приемных трактах радиорелейных станций Р-405, Р-409 и радиостанций Р-160П, Р-171.

2. В частотно-амплитудных преобразователях для получения управляющего напряжения.

Частотный детектор с двухконтурным фильтром

(Дано в конспекте)

Характеристика схемы. ЧД с двухконтурным фильтром  и с внешней емкостной связью, двумя встречновключенными АД и дросселем в их цепи.

В данном типе ЧД (рис. 13) принцип преобразования ЧМ-АЧМ основан на изменении фазовых соотношений в контурах двухконтурного фильтра.

Состав и назначение элементов схемы:

- КК двухконтурного фильтра с внешней емкостной связью , служат для преобразования ЧМ сигнала в АЧМ колебание (ПВМ);

- два встречновключенных АД для выделения из АЧМ колебания первичного сигнала;

- дроссель, служащий для замыкания НЧ и постоянной составляющих токов диодов VD1 и VD2 и создания большого сопротивления токам ВЧ.

Физические процессы.

Принцип преобразования ЧМ-АЧМ рассмотрим с помощью схемы замещения для колебаний высокой частоты (рис. 14) и векторных диаграмм.

Для токов ВЧ емкости Ср и С имеют малое сопротивление (практически КЗ), а Lдр - большое сопротивление ("разрыв").

Колебательные контуры имеют одинаковую резонансную частоту, совпадающую с частотой настройки детектора (f01= f02= fd). Емкость связи выбирается малой, так что её сопротивление превосходит сопротивление второго контура.

При отсутствии модуляции, когда на детектор воздействует колебания несущей частоты (fн= fd), комплекс тока I будет опережать комплекс напряжения U1 на /2, а комплекс U2 будет совпадать с током I2, т.к. при резонансе контур имеет чисто активное сопротивление, т.е. U2 будет опережать комплекс напряжения U1 на /2. Векторная диаграмма для этого случая приведена на рис. 15, а.

Напряжения на диодах определяются из 2-го закона Кирхгофа:

 , .

Напряжение на выходе детектора определяется разностью напряжений на диодах. Причем зависимость носит прямо пропорциональный характер

.

Из диаграммы (рис. 15, а) следует, что при , и, следовательно,   , а .

При положительной расстройке, , сопротивления контуров имеют активно-емкостный характер.  Напряжение U2 отстает от тока I  на некоторый угол, ,   ,   (рис. 15, б).

При отрицательной расстройке сопротивления контуров имеют активно-индуктивный характер, U2 опережает ток I на некоторый угол, ,  ,    (рис. 15, в).

Итак, отметим, что частотно-модулируемые колебания в ЧД сначала преобразуются в амплитудно-модулированные колебания, а которые затем с помощью АД преобразуются в колебания, пропорциональные первичному сигналу.

Искажения при детектировании частотно-модулированных колебаний

Если амплитуда входного напряжения детектора постоянна, то искажения при детектировании могут возникнуть по трем причинам:

1. За счет нелинейности ПВМ (преобразователя ЧМ-АЧМ).

2. За счет искажений при амплитудном детектировании.

3. За счет отклонения частотных параметров входного сигнала () от расчетных.

Искажения в ПВМ возникают из-за нелинейности рабочего участка его характеристики. Эти искажения оценивают коэффициентом гармоник. Искажения, вносимые АД, рассматривались в предыдущем параграфе.

Искажения из-за отклонений частотных параметров входного сигнала от номинала имеют две причины:

1. Если больше расчетной, то небольшие нелинейные искажения перерастают в ограничение выходного колебания с характерным провалом (рис. 16).

2. Если частота несущего колебания отличается от номинальной, то есть , то может появиться одностороннее ограничение и, кроме этого, на выходе будет постоянное напряжение (рис. 17).

Для исключения таких искажений производят ограничение амплитуды детектируемого колебания, т.е. фиксируют ее величину на некотором постоянном уровне, ограничивают величину девиации частоты модулируемого колебания и повышают стабильность частоты автогенератора передатчика.

Фазовые детекторы

(Дано в конспекте)

Фазовый детектор - это нелинейное радиотехническое устройство, в котором входной фазомодулированный радиосигнал преобразуется в выходное напряжение, меняющееся по закону модуляции фазы. ФД предназначен для получения напряжения, пропорционального разности фаз сравниваемых колебаний (рис. 18).

Характеристика схемы. Балансный ФД с дифференциальным трансформатором и двумя встречновключенными последовательными диодными АД.

Состав схемы:

ТV1 - дифференциальный трансформатор, предназначенный для получения двух равных по амплитуде напряжений;

ТV2 – согласующий трансформатор, предназначенный для согласования ФД с источником опорного напряжения (опорным гетеродином);

VD1 ,C1 ,R1 и VD2 ,C2 ,R2 - два встречно- включенных последовательных диодных амплитудных детектора.

Физические процессы (не дано в конспекте) рассмотрим с помощью  векторных  диаграмм (рис. 19). Полагаем, что напряжения, подводимые к ФД, имеют равные частоты. Если разность фаз между ними , то на диодах создаются одинаковые амплитуды напряжений. Постоянные составляющие импульсов токов, протекающих через эти диоды, создают на R1 и R2 одинаковые напряжения противоположной полярности. Следовательно, напряжение на выходе ФД равно нулю.

Пусть разность сравниваемых колебаний станет меньше 900 (рис. 19, б). В этом случае амплитуда напряжения на первом диоде больше, чем на втором диоде. Напряжение на выходе будет положительным. При напряжение на выходе ФД отрицательное. Максимальные по абсолютной величине напряжения на выходе ФД будут при   и . Следовательно, .

Примечания: (дано в конспекте)

1. Фазовые детекторы для детектирования сигналов с фазовой манипуляцией (прямое назначение) применяются редко из-за появления эффекта «обратной работы».

2. Фазовые детекторы применяются в системах фазовой автоподстройки частоты для получения управляющего напряжения.

В настоящее время ФД выполняются на интегральных схемах. Основу схемы составляет дифференциальный каскад ОУ.

Контрольные вопросы:

  1.  Какова суть детектирования частотно-модулированных колебаний ?
  2.   Каково назначение ПВМ в ЧД?
  3.   Назовите типы ЧД. В чем заключается  их принципиальное отличие?
  4.  Поясните физические процессы в ЧД по векторным диаграммам.
  5.  Какими бывают искажения при детектировании частотно-модулированных колебаний и способы их устранения?
  6.  Каковы принципы построения ФД, их назначение?
  7.  В чем заключается суть формирования детекторной характеристики ФД?

Задание на самостоятельную работу:

  1.  Изучить материал по рекомендованной литературе. Дополнить конспект лекции.
    1.  Повторить из курса дисциплины "Электроника" вопрос: Принципы построения операционных усилителей.
    2.  Ответить на контрольные вопросы.
    3.  Подготовиться к лабораторной работе.

Текст лекции разработал:

Старший преподаватель кандидат технических наук доцент

полковник                    п\п             С. Токарев

Рецензент:

Заместитель начальника кафедры

кандидат технических наук

полковник               п\п                   А. Степанов


0

t

HРT

iк

0

iб

iб

Рис.1, б

Iк0

Iб0

t

iк

0

t

HРT

iк

0

iб

iб

Рис.1, а

Iк0

Iб0

t

iк

0

t

HРT

iк

0

iб

iб

Рис.1, в

Iк0

Iб0

t

u1(t)

i=f(u)

Рис. 2

НЭ

u2(t)

u1(t)

uвых

Рис. 3

НЭ

u2(t)

Фильтр

f1

    f2

 f2

c

fпр

Рис. 4

Рис. 5

НЭ

Uвых

fпр

fГ

fС

UГ=U2

Uc=U1

Г

Фильтр

U2 =UГ

t

U

t

t

A

S(U)

S(t)

U

U=U1+U2

Рис. 6

i(t)

U0

U1 =UС

Сложный сигнал

Периодическое (линейное) изменение крутизны

i(t)

u

i, r

0

i

r

R=u/i

r=u/i

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

ПЭ

смесь

fc

fпр

Ф

а)

б)

нэ

г

пэ

fc

fпр

НЭ

fc

fпр

Ф

Смеситель

fг

в)

=

Смеситель

C

L

VD

Uг

Uс

ПЭ

a)

б)

Рис. 10

8

7

6

3

4

1

2

C1

VD

Uг

Uс

TV1

TV2

ПЭ

L1

C2

L2

C3

L3

Uпр

5

iv

Sv

0

Sv,iv

Smax

U0

Uv

U0

Рис. 11

Рис. 12

а)

б)

в))

г)

Uc

Uг

Uc+Uг

Т1

Т2

ТV2

ТV1

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

VD1

VD2

Uг

Uс

i2

i1

Рис. 13

Uпр

iсм

ПФ

1

2

3

4

5

6

Рис. 14

а)

б)

в)

Т1

Т2

Uc

Uг

Uc+Uг

Рис. 15

Uпр

ПФ

ТV1

VD1

VD2

Uг

От

источника

сигнала

VD3

VD4

Uс

ТV2

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

i1

i2

i3

i4

ТV2

ТV1

Рис. 16

Rн

а)

ТV2

ТV1

Rн

б)

i1

i2

i4

i5

Рис. 17

а)

б)

в)

Uc

Uг

Uc+Uг

Т1

Т2

Lк

RБ

VT1

RЭ

UС

Ср1

Uпр

Ср2

Ск

UГ

+Ek  –

НРТ

uБ

u

0

0

t

t

S

ik

0

S

S

ik

uГ=uтгcos(t+)

Ср1

1

Rи

Си

UС

Uпр

Ср2

Lк

Ск

R3

UГ

+Ek

R1

R2

R4

u31o

umc

ic=1(u31)

EMBED Equation.3

u31

0

EMBED Equation.3

t

EMBED Equation.3

ic

0

EMBED Equation.3

uc+u31o

umг

u32

u32o

0

0

t

t

S

ic

0

S

S

ic=2(u32)

uг+u32o

VT2

-   +

VT1

Uвых

UmГ

TV1

Uвх

R2

TV2

R1

TV3

EК

Рис. 5

R2

R1

VT3

UmГ

TV1

Uвх

VT4

R4

R3

VT2

TV1

+ EК

Uвых

TV2

TV3

2

3

2-3

2+

2+2

2+3

2-2

2-

2

-3

+

+2

-3

-2

-

А

А

3

2-3

2+

2+3

2-

-3

+

-3

-

А

-3

+

-3

-

Рис. 1

НЭ

ФНЧ

ZН

RГ

U

UΩ

Тракт радиосигнала

(УПЧ)

Детектор

Тракт НЧ

(первичного

сигнала)

Рис. 2

t

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

t

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

t

EMBED Equation.3

Zн

U0

UΩ

Cp

Амплитудный

детектор

Амплитудно-модулированное колебание

а)

б)

в)

г)

Первичный сигнал

Рис. 3

iзар

R

u0(t)

RН

СН

Ср

uН(t)

Ср1

iразр

uv(t)

С

U0

EMBED Equation.3

Ск

Lк

Амплитудный

детектор

Нагрузка

Источник амплитудно-модулированных

колебаний

VD

Рис. 15.4

t

iv

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

2

3

EMBED Equation.3

t

EMBED Equation.3

0

1

4

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Рис. 4

Рис. 5

iзарр

RФ

Uv(t)

Сф

UН(t)

Ср

iразр

U0(t)

Сф

EMBED Equation.3

Ск

Lk

С

R

+

Е

Рис. 6

Um2

U

0

Um1

Um3

Um4

Um5

U01

U02

U03

U04

U05

U0

t

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 7

U0

0

t

1

2

Рис. 8

UН

0

iv1

t

t

0

Рис. 9

R1

U0(t)

R2

СН

Ср

UН(t)

Ср

С

EMBED Equation.3

Ск

Lk

VD

RН

Рис. 10

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

  

Ограничитель

  амплитуды

  

Сигнал

  

ЧМ-АЧМ

  (ПВМ)

АД

  

EMBED Equation.3

  

Преобразователь

  

от УПЧ

  

t

0

EMBED Equation.3

t

t

EMBED Equation.3

Uо

0

0

Рис. 11

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

R1

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

U0(t)

R2

C1

C2

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

VD1

VD2

а

в

с

EMBED Equation.3

TV

ПВМ

Рис. 12

0

t

U0(t)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

а)

б)

в)

г)

Рис. 13

EMBED Equation.3

U0(t)

C

VD2

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

R

EMBED Equation.3

VD1

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

в

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Ср

I

Ссв

R

C

C

EMBED Equation.3

Рис. 14

VD2

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

VD1

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

в

EMBED Equation.3

I

Ссв

Рис. 15

I

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

f = fd

(R)

f> fd

(RC)

f< fd

(RL)

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

a)

б)

в)

I

I

Рис. 16

U0

t

U0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Рис. 17

U0

t

U0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Рис. 18

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

R1

UФД

R2

C1

C2

VD2

VD1

Uv1

Uv2

ТV2

ТV1

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Uv2

Uv1

U

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Uv2

Uv2

U

U

Uv1

Uv1

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

а)

в)

б)

Рис. 19


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62609. Урок русского языка в современной школе 5.52 MB
  В учебно-методическом пособии много практического материала который конкретизирует основные теоретические положения и разные подходы к построению уроков; в нем показываются способы внедрения в урок различных нововведений отражены особенности функционирования отдельных структурных элементов урока...
62610. Словарь ошибок вокальной педагогики 861.51 KB
  Эта школа за последние столетия вобрала в себя все наиболее эффективные способы и приемы постановки и развития певческого голоса. в Парижской консерватории был создан первый учебник где присутствовало ошибочное направление болонской итальянской школы утверждавшее в частности что самая удобная гласная – А самая трудная – У; низкие мужские и женские голоса имеют 2 регистра. А у начинающих певцов нет своего взгляда на вокал; себя они не слышат не ощущая изнутри своего голоса. Как же быть Даже определить тип голоса...