книги / Многочастотные системы передачи дискретных сигналов

Формирователи частоты не являются самостоятельными приборами, а входят в состав передающих, приемных и дру­ гих устройств. Поэтому основные характеристики формиро­ вателей определяются в первую очередь особенностями этих* устройств, а также требованиями, предъявляемыми к ним как к узлам этих приборов. Характеристики формирова­ телей частоты разделяют на общетехнические и специфиче­ ские. К общетехпнческнм характеристикам относят массу, размеры и т. п. К специфическим — характеристики выход­ ного колебания и управления.

К основным характеристикам выходною колебания формирователя частоты относят: множество частот па выходе

	формирователя; спектр					выходного				~~	~ ~1/
	сигнала; отношение сигнал'помеха___ _ ^
	II	гтя	ч н и м р	г*т -			<Ьп-ч I	I ЯГ !■	!- I	сч I-.-	I—Ц ?
	и	паразитные		отклонения			фаты,
	частоты		н амплитуды			сигнала;
	коэффициент			искажения;			напря­
	жение сигнала, стабильность вы­
	ходного		колебания		(частоту		н ам­	Рис.	12.	Структурная
	плитуду); переходный процесс при
								схема	дискретного		гене­
	переключении			частот.			спосо-	ратора		многочастотных
		Существует		несколько					сигналов
	бов	формирования			многочастот­

ных сигналов: генерирования сигналов генераторами 1С или КС с переключением частоты генерирования колеба­ ний; преобразования фиксированного постоянного напря­ жения в частоту (частота выходного сигнала строго зависит от фиксированного входного постоянного напряжения, что обусловливает и основной недостаток данного метода); фор­ мирования выходного сигнала из фиксированного входного сигнала, поступающего на вход формирователя от высоко­ стабильного задающего генератора.

Третий способ наиболее распространен благодаря вы­ сокой стабильности частоты на выходе формирователя и

малой длительности переходного процесса	при переклю­
чении частот. Кроме того, при использовании	этого способа,
в отличие от других, на выходе формирователя можно		лег­
ко получить множество частот, что очень существенно		при
формировании многочастотных сигналов

Задающий генератор (ЗГ) и формирователь образуют дискретный генератор (ДГ) (рис. 12). Формирователь вклю­ чает в себя, как это было сказано ранее, синтезатор часто­ ты (СЧ), функциональный преобразователь (ФП) и блок

управления (БУ). При передаче в канал связи т ч частот одновременно синтезатор частоты должен содержать соот-. ветствующее число делителей частоты. Требуемое количество функциональных преобразователей в этом случае опреде­ ляется числом делителей частоты, на выходе которых они включены.

2. В Ы БО Р ЗА Д А Ю Щ ЕГО Г Е Н Е РА Т О РА

Структурную схему формирователя (рис. 12) можно реа-> лизовать на основе цифровой и аналоговой техники. Однако в аналоговых формирователях сложно выполнить переклю­

чение частот и их установку, поэтому желателен								дискрет­
ный формирователь.
	Выходная частота ДТ				определится	выражением
			/вых =		Ас.ч*ф.п/вх,			(3-2)
где	кс. ч и Аф. п — передаточные функции синтезатора час^
тот	и	функционального			преобразователя		по	частоте^
/ вх — входная			частота	формирователя,		равная		выходной!
частоте		задающего генератора /д г = /ю в					герцах.
Основным			условием	является получение ?вых =■ сопзЬ

Существует несколько вариантов получения фиксирован­ ной выходной частоты:

1 )	кс. чкф. п =	сопз!	и	/ э г =	соп$1 ;
2)	кс. ч/ э>г =	сопз1	и	&ф. „ =	сопз{;
3)	Лф. „/а. г =	сопз!	и	кс.ч = сопз!;

4)	кс. ч^ф. п/э. г =	сопз!;
5)	кс. ч = сопз!,	Аф. п = сопз!		и	/э г = сопз!.
Проще всего реализуется				пятый		вариант, так как|
в цифровой технике можно легко					получить кс. ч = сопз!|
и Лф. п » сопз!. Таким			образом,	задача		сводится к выпол-]
нению	условия /э г =		сопз!.

Генераторы колебаний прямоугольной формы, которые^ легче согласуются с работой логических элементов формиро­ вателя многочастотных сигналов, выполняют на транзис­ торах, туннельных диодах, операционных усилителях, ана­ логовых интегральных схемах и цифровых интегральных схемах. Д ля построения дискретного генератора необхо­ димо знать частоту задающего генератора Д,.г.

Выбор частоты задающего генератора. Для определения частоты ЗГ необходимо определить кс ч и кф п при условии, что выходная

частота задана.	Примем, например, выходные частоты формнрова-
тел я/ПыХ= 920,	1160. 1720, 1960 Гц. Предположим также, что в

ДГ использован ФП, который каждые десять периодов прямоуголь­ ных колебаний преобразует в один период синусоидального колеба­ ния, т. е. кф п = 10“*. Тогда частота на входе функционального пре­

образователя равна 9200. 11600, 17200, 19600 Гц.

При реализации синтезатора частогы на основе .метода прямого синтеза (см. гл. 3.1) схема сннтезаюра содержи! делитель, умножи­ тель, сумматор и их комбинацию. При этом для определения к с

необходимо найти наименьшее общее.кр.пмо- (ИОК)лля частот 9200 11600, 17200. 19600 Гц. Для указанных частот получаем:

/ 3> „ = НОК (9200; 11630; 17200; 19С00) =-= “ '2М7600 Гц.

откуда Ас ч(9200) =		61103; кс	„ (11600) = -18401;	г 17200) =32683;
кс „ (19600) = 28681.
Реализация	снытеэатора.		обладающего указанными		передаточ­
ными функциями, нецелесообразна как с точки				зрения	сложности
проектирования,	так	и с экономической точки зрения. Поэтому, как

правило, принимают некоторые допущения к нестабильности множества

частот в пределах не более				2%. Например,				предположим, что необ­
ходимо	получить	следующий			ряд	частот: 9200 ± 32.259; 11600 ± 0 ;
17200 ±	24,242; 19600 ± 0 Гц.				В	этом случае получаем частоту ЗГ
/3>г = 568,4 кГц и следующие значения							передаточной функции син­
тезатора	частот:	кс	ч (9200 ± 32,259) =				62;	кс	,, (11600 ± 0) = 49;
*С. Ч(17200 ± 24.242) =			33;	К. Ч( 19000 ±			0) =	29.	'
Используя указанные				передаточные			функции,
строить дискретный генератор.
Задающий генератор на мультивибраторе, выполнен­
ном на транзисторах. В					качестве		задающего генератора,

как правило, используют мультивибраторы, стабилизиро­ ванные кварцем. Включение кварцевого резонатора в схему генератора позволяет уменьшить относительную нестабиль­ ность до 10'6— 10'®.

Эквивалентную электрическую схему кварцевого резонатора (рис. 13, б) можно представить последовательным колебательным контуром (I, С и Я), зашунтиросанным ста­ тической емкостью С0 электродов, держателя и монтажа. Величины Ь и С определяют геометрическими размерами кварцевой пластинки и некоторыми физическими постоян­ ными кристалла кварца. Сопротивление потерь К зависит от качества обработки пластинки и способа ее крепления. Вы­ сокая добротность кварцевого резонатора

Ц - У Ш ё Щ , (:!.;>)

составляющая десятки и сотни тысяч, обусловливает высо* кую фиксирующую способность и эталонность кварце­ вого резонатора как колебательной системы. Малый коэф­ фициент включения кварцевого резонатора в схему р к» обеспечивает ослабление влияния емкостей и других эле* ментов схемы на частоту кварцевого резонатора.

На рис. 13, а изображена схема симметричного мульти­ вибратора с базовыми времязадающими цепями, в которойодин из времязадающих конденсаторов заменен кварцевым

Рис. 13. Принципиальная схема симметричного мультивибратора с кварцевым резонатором (а); эквивалентная схема кварцевого резонатора (б); временные диаграммы (в)

резонатором. Принцип работы схемы заключается в сле­ дующем. Когда транзистор 77 находится в открытом состоя­ нии, транзистор Т2 заперт. В это время ток / кв кварцевого резонатора, протекающий через резистор кб% и участок эмиттер — коллектор открытого транзистора 77, нарастает по гармоническому закону, создавая на базе транзистора Т2 запирающее напряжение в виде положительной полу­ волны синусоидального напряжения (рис. 13, в) При за­ крытом транзисторе Т2 конденсатор Сб1 заряжается по экспоненциальному закону через эмиттерный переход от­ крытого транзистора 77. В момент ^ (рис. 13, в), когда ток / кв кварцевого резонатора станет равным нулю, напряже­ ние IIб, станет близким к нулю, и транзистор начнет от­ пираться, вызывая процесс разряда конденсатора С61 и запирание транзистора 77. Направление тока / кв при этом меняется на обратное и он теперь протекает через эмштер-

ный переход открытого транзистора Т2 и резистор /?к7-

Напряжение на коллекторе закрытого транзистора				С'.о.	=
= —Ек +	КК[1М приобретает форму		положительной		по­
луволны	синусоидального	напряжения	(интервал	/, — и
на рис. 13, в). В момент /,		уменьшающийся ток		снова

становится близким к нулю, и транзистор Т2 начинает запираться, вызывая отпирание транзистора 77. Процессы, аналогичные вышеописанным, периодически повторяются.

Для предотвращения открывания транзистора 77 при разряде конденсатора Св/, прежде чем начнет запираться транзистор Т2, постоянную времени СС\Кб\ рассчитывают по формуле

	/,,.о = 0,7С<31# б |> /г7 ’,(/2,	(3.4)
где	о — время, в течение которого транзистор	77 при

разряде конденсатора Сб/ находился бы в закрытом состоя­ нии, если бы небыло кварцевого резонатора (длительность собственного импульса); Тк — период колебаний кварце­ вого резонатора; к = 1,25... 1,5.

Частоту генерируемых мультивибратором колебаний оп­ ределяют с учетом частоты колебательной системы, образо­ ванной кварцевым резонатором и шунтирующими резисто­ рами КК1 или 2. Тогда

V —б2

Р	2я		(3.5)
у ь с + с 0		+	(36)
С0— емкость монтажа, электродов		и держателя;	ркп —

коэффициент включения кварца в схему, измеряемый де­ сятыми долями процента;

Яш = (#К1 + Яб2)/2

(3.7)

— шунтирующее сопротивление.

Так как коэффициент включения ркв кварцевого резона­

тора в схему очень мал, сопротивление потерь		и шунти­
рующее	сопротивление /?ш обусловливают пренебрежимо
малый	коэффициент затухания. Поэтому можно	считать,

что частота колебаний рассмотренного мультивибратора близка к частоте

2 п ] / .	СС0	(3.8)
С + С0
Известны также другие схемы	мультивибраторов,	ста*
билизированных кварцем, описанные в литературе		[471. •

Однако применение таких схем ограничено трудностью под*

бора кварца,		настроенного на			заданную фиксированную
			частоту, а изменение частоты на*
			стройки кварцевого резонатора					из­
			менением внешней емкости затруд­
			нено, так как изменение резонанс­
			ной частоты кварца на доли процен­
			та требует изменения емкости внеш­
			него конденсатора в несколько раз.
			Задающий генератор на мульти­
			вибраторе, выполненном				на поле­
			вых транзисторах. Полевые тран­
			зисторы		используют для		построе­
			ния автоколебательных мультивиб­
Рис. 14.	Схема	мульти­	раторов		с	частотой колебаний,
вибратора	на	полевых	перестраиваемой в широких преде­
транзисторах			лах.	Схема		мультивибратора		на
			полевых		транзисторах		со стоко­
затворными связями			показана	на рис. 14. Полевые тран­

зисторы 77 и Т2, включены по кольцевой схеме с положи­ тельной обратной связью. Времязадающие цепи содержат резисторы Я3/, Н32 и конденсаторы С31, С32. Постоянные

времени С3# 3 увеличиваются из-за высокого входного со-
п отивления	полевых транзисторов, которое достигает
10®— 10й Ом.	Изменение входных сопротивлений транзи­

сторов достигают изменением сопротивлений затворных резисторов #з, чем также осуществляется плавная пере­ стройка частоты в широком диапазоне.

Задающий генератор на туннельных диодах. В импульс­ ных устройствах широко применяют генераторы на туннель­ ных диодах. С помощью туннельного диода можно получить релаксационные колебания, т. е. колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ'' туннельного диода представляет собой характеристику ЛГ-типа, управ-

ляющей величиной'которой является напряжение. На нис­ падающем участке ВАХ дифференциальное сопротивление диода отрицательно, а сопротивление постоянному току — положительно. По отношению к источнику электроэнергии туннельный диод ведет себя всегда как потребитель На ниспадающем участке ВАХ туннельный диод является ис­ точником, который можно использовать для компенсации потерь энергии во внешней цепи. Сопротивление при отрпцательном смещении меньше, чем при положительном.

К достоинствам туннельных диодов можно отнести сохранение работоспособности при высоких и очень низких температурах, весьма малое потребление энергии, малые габариты. Кроме того, генераторы па туннельных диодах могут генерировать колебания с частотой порядка 100 ГГц. Однако туннельным диодам свойственны следующие недо­ статки: два зажима прибора одновременно входные п выход­ ные, незначительная амплитуда колебании на выходе схе­ мы, зависимость ВАХ туннельного диода от температуры. Работу схем мультивибраторов на туннельных диодах определяют подбором режима смещения с помощью нагру­ зочной линии. При этом необходимо соблюдать три основ­ ных условия: 1 ) сопротивление нагрузки по постоянному току меньше минимального значения отрицательного со­ противления туннельного диода; 2) нагрузочная линия пере­ секает ВАХ туннельного диода в области отрицательного сопротивления; 3) реактивный элемент (конденсатор или индуктивность) достаточно большой, чтобы рабочая точка была нестабильной в условиях переменного тока.

Для устранения недостатков туннельного диода обычно в схему мультивибратора вводят транзисторы. В резуль­ тате получают мультивибратор с высокой скоростью пере­ ключения и с относительно большой амплитудой сигнала на выходе. Схема мультивибратора, выполненная на туннель­ ном диоде и транзисторе, показана на рис. 15. Под влияни­ ем конденсатора С схема переключается по траектории АВСЭ. В результате транзистор включается и выключает­ ся со скоростью, определяемой значениями элементов схе­ мы. Из рис. 15 можно легко определить:

период колебаний, генератора

время нарастания

1И= Сд ("•	.	(3.10)
и,	д

В работе [47] получены выражения:

4

а

0

Рис. 15. Схеыа мультивибратора на туннельном диоде (а); ВАХ туннельного диода (б)

где Т — Т 3+ Ту, Т1* — время заряда конденсатора С; Тр— время разряда конденсатора С.

Задающий генератор на операционном усилителе. Опе­ рационный усилитель (ОУ) — это усилитель с большим коэффициентом усиления и непосредственными связями, применяемый в основном в качестве активного элемента в схемах с обратными связями. При достаточном коэффици­ енте усиления ОУ по напряжению передаточную характерис­ тику устройства вместе с цепями обратной связи можно сде­ лать функцией только параметров цепей обратной связи, не зависящих от усилителя. Если включить обратную связь так, чтобы выход был соединен с неинвертированным вхо-

дом ОУ, то обратная связь будет стремиться увеличить входной сигнал. Это явление называется регенеративной или положительной обратной связью. При использовании положительной обратной связи можно получить генераторы синусоидальных сигналов, генераторы функций, переклю­ чательные схемы и генераторы колебаний прямоугольной формы (автоколебательные мультивибраторы).

Генератор колебаний п;ямоуголыюи формы работает как автоколебательный ключ, непрерывно переключающийся между двумя уровнями постоянного напряжения без ис­ пользования какого-либо внешнего сигнала запуска. На

Рис. 16. Схема ге нератора на операционном усилителе (а); временная диаграмма (б)

рис. 16, а изображена схема генератора прямоугольных колебаний, в котором в качестве переключающего устрой­ ства использован ОУ.

Чтобы понять, как работает генератор, предположим, что положительная обратная связь ввела усилитель в насыщение с положительным напряжением на выходе:

1/,ых + Ек. В этом состоянии	напряжение	на инверс­
ном входе
Р^вых = ^ | ?	Ек-	(3.13)

Напряжение на инверсном входе нарастает но экспо­ ненте в направлении к + Я К с постоянной времени #С. При р1/ВЫх = и с схема переключится из состояния с поло­ жительным выходом (+Ек) в состояние с отрицательным выходом (—Як). В этом новом состоянии

Р^вых = - ^ ^ Я к .

(3.14)

Однако конденсатор С препятствует мгновенному из­ менению уровня 1!е. Схем) остается в состоянии с сори-

-дательным выходом до тех пор, пока Це не станет равным Р^вых, которое определяется уравнением (3 .14). П ри|31Л ы х= = IIс напряжение на выходе вновь переключится на ри йЫх,

ицикл повторяется. Изложенное можно изобразить в виде афика (рис. 16, б).

Изменение напряжения на конденсаторе С

Ус = ( Е . +			рЕк) ( 1 - е “ ® ) .				(3.15)
Из рис. 16, б видно,			что	при	I — 1а\
		С/С= 2РЯК.					(3.16)
Подставив выражение (3.16) в					выражение		(3.15), по­
лучим						_ —
2РЯК *	(Ек +	РЯК) -
				(Ек + РЕк) е~ к			;
	(и1	= ЕС 1п 1 +			Р.
				1 - е
Т = 1п\ + ^и1 — 2 ^и1 = 2 ЕС 1п						.	(3.17)
Коэффициент	р можно определить
					=Я Г Ь Ъ ’
	7 =	2ДС1п(1 +			2 ^ ) ,		(3.18)
т. е. период Т	представляет			собой колебания			1/е, рб/пы1

И Слых-

Для построения мультивибратора можно использовать также аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Недостатком схем является большая их нестабильность в зависимости от температуры по сравнению со схемами гене­ раторов на дискретных элементах 1391.

3. С И Н Т Е ЗА Т О РЫ Ч А С ТО Т Ы

Синтезатор частоты предназначен для деления частоты задающего генератора. Коэффициент деления задается бло­ ком управления и зависит как от состояния функционально­ го преобразователя, т. е. от номера ступени аппроксимации