lektsii_ORE_2015

приведет к несоблюдению условия баланса амплитуд. Нагрузкой эмиттерного повторителя служит резистор R9. Напряжение смещение на транзисторы подаются делителями напряжения R1 R2 и R7 R8. Элементы С1 R10 являются фильтром питания. С2 С3 С7 являются разделительными конденсаторами. Коэффициент обратной связи такого генератора равен 1/29, поэтому для выполнения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть Кус≥29.

ЛЕКЦИЯ №19

RC автогенератор с фазобалансной цепью

В генераторах с четным числом усилительных каскадов нет необходимости использовать в цепи положительной обратной связи фазосдвигающие цепи. Для выделения колебаний требуемой частоты в выходном напряжении таких генераторов, в цепь обратной связи включают четырехполюсник, обладающий частотно-избирательными свойствами (фазобалансную цепь). рис 11.22. Для генерирования колебаний необходимо, чтобы данный четырехполюсник не вносил сдвига фаз между входным напряжением Uвх и выходным напряжением Uвых, т. е. φ вх должна быть равна φ вых. Частота, на которой φ вх= φ вых определяется по выражению

Рисунок 11.22 - Принципиальная электрическая схема частотноизбирательного четырехполюсника

fг=1/2πC1R2C2 Если R1=R2=R, C1=C2=C тогда выражение примет вид fг=1/2π RC

На всех остальных частотах будет происходить сдвиг фазы, а значит на этих частотах не будет выполняться условие баланса фаз и колебания с этими частотами будут отсутствовать.

Коэффициент обратной связи в этом случае будет равен 1/3, а следовательно, для выполнения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя автогенератора должен быть не менее 3.

Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с фазобалансной цепью представлена на рисунке 11.23.

Рисунок 11.23 - Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с фазобалансной цепью

В этом генераторе усилитель собран на двух усилительных каскадах собранных на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой этих каскадов являются резисторы R3 и R5. Напряжение смещения на транзисторы подается фиксированным током базы через резисторы R2 и R4. Элементы С1 R1 C2 R2 образуют фазобалансную цепь в цепи положительной обратной связи. Элементы С4 С5 являются разделительными конденсаторами. R6 С3

элементы фильтра питания. Условие баланса амплитуд в этой схеме

выполняется за счет двух усилительных каскадов, с помощью которых легко достигается коэффициент усиления равный 3. Баланс фаз достигается включением двух транзисторов по схеме с общим эмиттером (суммарный сдвиг фаз в этом случае 180°+180°=360°).

RC автогенератор с мостом Вина

Достоинством этого генератора является возможность изменения частоты генерируемых колебаний. Принципиальная электрическая схема этого генератора представлена на рисунке 11.24.

Рисунок 11.24 - Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с мостом Вина

В этом генераторе усилитель также имеет два усилительных каскада собранные на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой этих каскадов являются резисторы R4 и R9. Напряжение смещения на резисторы поступает через делители напряжения R2 R3 и R7 R8.

Выходное напряжение поступает на вход усилителя через фазобалансную цепь C1 R1 C2 R3, которая является одним из плеч моста Вина, второе плечо образовано элементами R6 R5. Вторая ветвь соединена с выходом усилителя через конденсатор С5 большой емкости, благодаря чему цепь R5 R6 не создает заметного сдвига фаз. Наряду с положительной обратной связью, вводится отрицательная обратная связь образованная элементами R5 R10 C5 R6. Отрицательная обратная связь, снижая коэффициент усиления, существенно снижает нелинейные искажения генерируемых колебаний.

Снижение коэффициента усиления не приводит к нарушению баланса амплитуд т. к. реальный двухкаскадный усилитель имеет коэффициент усиления намного больше 3. Кроме того элементы R5 R10,

обеспечивают температурную стабилизацию рабочей точки транзисторов. Регулировка частоты генерируемых колебаний в рассматриваемом генераторе осуществляется одновременной регулировкой сопротивлений резисторов R1 R3, однако, может осуществляться и одновременной регулировкой емкостей конденсаторов C1 C2.

12. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СПЕКТРА

Модуляторы

Модуляция осуществляется в устройствах модуляторах. Условное графическое обозначение модулятора имеет вид:

Рисунок 1 - Условное графическое обозначение модулятора

При модуляции на вход модулятора подаются сигналы:

u(t) — модулирующий, данный сигнал является информационным и низкочастотным (его частоту обозначают ω или F);

S(t) — модулируемый (несущий), данный сигнал является неинформационным и высокочастотным (его частота обозначается w0 или f0); Sм(t) — модулированный сигнал, данный сигнал является информационным и высокочастотным.

В качестве несущего сигнала может использоваться:

гармоническое колебание, при этом модуляция называется аналоговой

или непрерывной;

периодическая последовательность импульсов, при этом модуляция называется импульсной;

постоянный ток, при этом модуляция называется шумоподобной.

Так как в процессе модуляции изменяются информационные параметры несущего колебания, то название вида модуляции зависит от изменяемого параметра этого колебания.

Характеристики модуляторов

Основными характеристиками модуляторов являются модуляционная и частотная.

Модуляционная характеристика представляет собой зависимость отклонения информационного параметра несущей от воздействующего постоянного модулирующего напряжения Uм. При гармонической несущей это отклонение амплитуды Um при АМ, отклонение частоты при ЧМ и отклонение фазы при ФМ.

В идеальном случае модуляционная характеристика должна быть линейной (рисунок 12.1) однако реальная характеристика имеет отклонения. Эти отклонения приводят к нелинейным искажениям модулированного

сигнала. По данной характеристике определяют качественные показатели модулятора (амплитуду модулирующего сигнала).

Рисунок 12.1 - модуляционная характеристика модулятора

Частотная характеристика представляет собой зависимость основного параметра модулированного сигнала от частоты модулирующего гармонического сигнала uМ(t). Для гармонической несущей такими параметрами являются коэффициент mАМ при АМ, девиация частоты при ЧМ, индекс при ФМ.

Идеальная частотная характеристика имеет постоянное значение на всех частотах (рисунок 12.2). Реальная характеристика имеет отклонения, что приводит к частотным искажениям. По частотной характеристике определяют частотные свойства модулятора (полосу пропускания модулятора).

Рисунок 12.2 - Частотная характеристика модулятора

Модуляционная и частотная характеристики снимаются экспериментально.

11.1. Формирование амплитудно-модулированных сигналов

Однотактный амплитудный модулятор на диоде

В состав данного модулятора входит диод (нелинейный элемент) и полосовой фильтр (рисунок 12.3). Нелинейный элемент в схеме необходим так как модуляция связана с изменением спектра сигнала.

Рисунок 12.3- Принципиальная электрическая схема однотактного амплитудного модулятора на диоде

На диод VD, вольтамперная характеристика которого аппроксимирована полиномом второй степени, подаются три напряжения: напряжение смещения U0, напряжения модулирующего сигнала (u(t)) и несущего (S(t)) колебания. Спектр отклика диода при таком воздействии будет иметь вид (рисунок). В данном спектре модулированному сигналу соответствуют составляющие на частотах w0, ω0±Ω.

Если на НЭ воздействуют одновременно два гармонических колебания

U(t)=Um1CosΩt, (12.1)

S(t)=Um2Cos t.

Для упрощения анализа ограничимся аппроксимацией передаточной характеристики полиномом второй степени:

i=ao+a1u+a2u2.	(12.2)
На входе НЭ напряжение равно сумме двух напряжений
u1+ u2=Um1CosΩt+ Um2Cos t ,	(12.3)
тогда ток в цепи определяется выражением
i = a0+a1(u1+u2)+a2(u1+u2)2 .	(12.4)

Определим спектральный состав выходного тока, для этого подставим

(5) в (6). При этом второе слагаемое выражения (6) примет вид:

a1(u1+ u2) =a1(Um1CosΩt+ Um2Cos t)= a1Um1CosΩt + a1Um2Cos t .

Третье слагаемое:

a2(u1+ u2)2 = a2(Um1CosΩ 1t+ Um2Cos t)2 =

a2Um12Cos2Ωt + a2Um22Cos2 t + 2a2Um1CosΩtUm2Cos t =

a1Um2Cos t + 2a2Um1CosΩtUm2Cos t = (1+ CosΩt) Um2Cos t

Эти составляющие выделяются полосовым фильтром, в качестве которого используется колебательный LC контур, настроенный на частоту ω0. Временные диаграммы сигналов представлены на рисунке 12.4.

Рисунок 12.4 - Спектральная диаграмма отклика диода

Недостатком данного модулятора является присутствие в спектре АИ сигнала составляющей несущего сигнала.

Балансный модулятор

Данный модулятор представляет собой два однотактных амплитудных модулятора работающих на общую нагрузку (рисунок 12.5). Модулятор содержит два диода с одинаковыми ВАХ аппроксимированными полиномами третьей степени. Два резистора с малым, но одинаковым сопротивлением являются нагрузкой диодов. Модулирующий сигнал

подается через первичную обмотку трансформатора, а несущее колебание подается через среднюю точку вторичной обмотки трансформатора и точкой соединения двух резисторов.

Рисунок 12.6 - Принципиальная электрическая схема балансного модулятора

Если в некоторый момент времени напряжения u(t) и S(t) будут иметь полярность показанную на рисунке, то пренебрегая падением напряжения на резисторах, напряжение на диодах будет равно:

uд1(t)=S(t)+uII(t); uд2(t)=S(t)-uII(t) (21)

где uII(t) — напряжение модулирующего сигнала во вторичной обмотке трансформатора.

Спектр сигнала на выходе модулятора показан на рисунке 12.7.

Рисунок 12.7 - Спектральная диаграмма сигнала на выходе балансного модулятора

Как следует из спектра выходного сигнала, в нем отсутствуют составляющие несущего сигнала, четные составляющие модулирующего сигнала и их высшие гармоники, которые вносят искажения формы модулированного сигнала. Отсутствие составляющей несущего сигнала и ее гармоник объясняется тем, что падение напряжения, вызванные токами этих колебаний на резисторах, имеют одинаковые значения, но противоположную полярность. К недостаткам модулятора можно отнести наличие составляющих модулирующего сигнала и высших гармоник модулированного сигнала.

ЛЕКЦИЯ №20

Кольцевой модулятор

Данный модулятор представляет собой два балансных модулятора работающих на общую нагрузку (рисунок 12.8).

Рисунок 12.8 - Принципиальная электрическая схема кольцевого модулятора

Спектр сигнала на выходе кольцевого модулятора показан на рисунке 12.9.

Рисунок 12.9 - Спектральная диаграмма сигнала на выходе кольцевого модулятора

Как видно из диаграммы в спектре сигнала отсутствуют составляющие несущего и модулирующего сигналов, а также отсутствуют высшие составляющие модулированного сигнала. Таким образом, кольцевой модулятор является идеальным модулятором, но лишь для сигналов небольшой амплитуды. При больших амплитудах S(t) и u(t) в спектре выходного сигнала появляются различные комбинации нечетных

гармоник входных сигналов.

Амплитудный модулятор на транзисторе

Данный модулятор (рисунок 12.10) используется для формирования больших амплитуд.

Рисунок 12.10Принципиальная электрическая схема амплитудного модулятора на транзисторе

В модуляторе в качестве нелинейного элемента используется транзистор (VT), включенный по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой

транзистора является колебательный контур С2 L1, который используется в качестве полосового фильтра и настраивается на частоту первой гармоники несущего колебания w0. Также модулятор содержит делитель напряжения R1 R2 подающий напряжение смещения для выбора положения рабочей точки транзистора, резистор R3 обеспечивающий температурную стабилизацию рабочей точки, разделительные конденсаторы С1, С3, С4 разделяющие ток питания от тока сигнала. Модулирующий сигнал подается на эмиттер транзистора. Несущее колебание вместе с напряжением смещения поступают на базу VT. Модулированный сигнал снимается с коллектора.

Достоинством данного модулятора является высокий КПД, т. к. транзистор работает в режиме отсечки коллекторного тока. Временные диаграммы сигналов схемы, поясняющие процесс формирования АМ сигнала в режиме отсечки коллекторного тока показаны на рисунке 12.11.

Рисунок 12.11 - Формирование АМ сигнала в режиме отсечки коллекторного тока

11.2. Преобразование частоты

Преобразование частоты - процесс переноса спектра сигнала в область более высоких или более низких частот без изменения формы спектра и формы сигнала.

Под формой спектра понимается соотношение между составляющими спектра сигнала. По сути, модуляция и детектирование также являются преобразованием частоты, т. к. при модуляции спектр модулирующего сигнала переносится в область более высоких частот, а при детектировании происходит обратный процесс. Но в основном при преобразовании частоты осуществляется изменение частоты модулированных сигналов.

Принцип преобразования частоты заключается в перемножении информационного модулированного сигнала, в основном АМ сигнала

(рисунок 12.12, а), с опорным гармоническим колебанием uг(t) высокой частоты ωг(рисунок 12.12, б). Данное колебание вырабатывается специальным высокостабильным генератором — гетеродином (наличие в схеме радиопередающего устройства гетеродина означает, что в данном устройстве происходит преобразование частоты). При перемножении этих сигналов в спектре появляются боковые полосы на частотах ω0+ωг и ω0-ωг

при ω0>ωг или ωг+ω0 и ωг-ω0 при ω0<ωг.

Частота ω0+ωг или ωг+ω0 называется суммарной промежуточной частотой, а частота ω0-ωг или ωг-ω0 - разностной промежуточной частотой.

Требуемая полоса частот выделяется полосовым фильтром (рисунок 12.12, в). Как видно из диаграммы сигнал Sпр(t) имеет огибающую, соответствующую Sам(t), а частота заполнения уменьшилась, т. к. полосовой фильтр настроен на разностную промежуточную частоту.

Рисунок 12.12 - Временные и спектральные диаграммы при преобразовании частоты

Структурная электрическая схема преобразователя частоты представлена на рисунке 12.13. Перемножение опорного колебания с АМ сигналом осуществляется в смесителе СМ. В качестве смесителя используется амплитудный модулятор.

Рисунок 12.13.-Структурная электрическая схема преобразователя частоты

Принципиальная электрическая схема преобразователя частоты представлена на рисунке 26. В этом преобращователе АМ сигнал поступает через колебательный контур С1 L1. Катушки индуктивности L1 и L2 представляют собой высокочастотный трансформатор. Через вторичную обмотку этого трансформатора L2 подается опорное колебание от гетеродина.

Рисунок 12.14 - Преобразователь частоты

Перемножение АМ сигнала с опорным колебанием осуществляется транзистором VT1 (переходом база-эмиттер). Нагрузкой транзистора является контур C3 L3 выполняющий функции полосового фильтра. Сигнал с требуемой промежуточной частотой (в основном с разностной) снимается с катушки L4 которая является вторичной обмоткой высокочастотного трансформатора L3 и L4.

Формирование однополосно-модулированных сигналов

Формирование однополосно-модулированных сигналов осуществляется двумя методами: методом фильтрации и методом фазирования.

Метод фильтрации

Структурная электрическая схема модулятора реализующего данный метод представлена на рисунке 12.15.

Рисунок 12.15 - Структурная электрическая схема модулятора ОМ сигналов методом фильтрации

При данном методе модулирующий сигнал u(t) и несущее колебание S(t) подаются на входы балансного или кольцевого модулятора. На выходе модулятора формируется балансно-модулированный сигнал SБМ(t). Затем