Файл: Основные понятия и определения электросвязи.pdf

40
С увеличением коэффициента умноженияn(k–номера гармоники) уменьшаются амплитуды полезных гармоник. По этой причине подобные умножители частоты используются лишь для умножения частоты не более чем в четыре раза. Для умножения частоты в большое количество раз используют следующий подход. С помощью нелинейного устройства входной гармонический сигнал преобразуют в последовательность коротких прямоугольных импульсов с длительностью много меньшей, чем период колебания
???? ≪ Т. Чем меньше отношение ????/Т, тем медленнее убывают амплитуды гармоник с ростом n.
Используя импульсы с малым отношением
????/Т, можно осуществлять умножение частоты в десятки раз. Наиболее эффективным, но и наиболее сложным являются радиоимпульсные умножители частоты. При таком способе умножения частоты удается получать большие n, более 50-100.
Контрольные вопросы:
1. Поясните процесс умножения частоты.
2. В чем заключается две основные операции метода получения кратных частот?
3. Как изменяется угол отсечки в схеме умножителя?
4. Почему одним каскадом можно умножить частоту не более, чем в три раза?
5. Как осуществляется многократное умножение частоты?
6. Где применяют умножители частоты?
Раздел 6 Преобразование частоты
Под преобразованием частоты радиосигналов в радиотехнических устройствах понимают перенос спектра сигнала по шкале частот выше или ниже какой-то частоты. Это выполняется в целях размещения спектра сигнала в требуемой полосе частот для обеспечения качественной работы радиотехнических устройств. Под переносом спектра в данном случае понимается, с одной стороны, дискретное изменение частоты сигнала в сторону ее увеличения, а с другой стороны, размещение спектра сигнала в области определенной частоты независимо от того, что шкала частот сигнала выше или ниже этой определенной частоты.

41
Гетеродином называется вспомогательный генератор гармонических электрических колебаний, используемый для преобразования несущей частоты сигналов в радиоаппаратуре.
При преобразовании сигнала его спектр смещается по оси частот на вполне определенное и постоянное значение.
Рисунок 6.2 – Схема преобразователя частоты
На рисунке 6.2 приведена схема одного из возможных вариантов преобразователей частоты.
Работает преобразователь частоты следующим образом. Электрическая схема преобразователя имеет два входа и один выход. На один из входов подается входной сигнал
0
( )
( ) cos(
)
вх
c
u
t
U t
t


, а на другой – сигнал гетеродина (Г)
( )
( ) cos(
)
Г
Г
Г
u t
U t
t


Сигнал гетеродина – это гармоническое колебание фиксированной частоты
Г

. Входной же сигнал представляет собой узкополосный сигнал с ограниченной частотой спектра, то есть под частотой
с

понимается множество частот спектральных составляющих. Для наглядности изложения принципа работы преобразователя частоты будем считать, что и
с

- это частота гармонического колебания
( )
вх
u
t
Таким образом, к нелинейному резистору, в качестве которого используется биполярный транзистор, приложено два гармонических колебания. Для этого случая отклик сигнала, в данном случае ток коллектора
к
i
транзистора, будет содержать множество спектральных составляющих.
Частоты этих составляющих
c
n

и
Г
n

, с одной стороны, появляется комбинационные частоты, представляющие собой сумму и разность частот
c
n

,
Г
k

(
)
Г
c
k
n



. Использование этих частот и позволяет осуществить преобразование частоты.
Спектральные составляющие с комбинационными частотами
Г
с



возникают в соответствии с четными степенями полинома. При этом

42 амплитуды спектральных составляющих с этими частотами включают составляющие, в которых амплитуды
вх
U
и
Г
U
имеют как первую, так и выше первой степени. Однако неискаженная передача спектра сигнала возможна при линейном или близком к линейному характере изменения амплитуд
вх
U
и
Г
U
Частота
(
)
Г
c
 

располагается правее частоты
Г

, а
Г
c



- левее
Г

на оси частот. На рисунке 6.3 показаны диаграммы, поясняющие принцип преобразования частот.
Для того чтобы выделить спектральные составляющие одной из комбинационных частот
Г
c



или
Г
c



, используют соответствующие фильтры. При этом возможны случаи, когда
Г

и
c

слабо различимы либо сильно различимы, что требует соответствующего подхода к организации фильтрации.
Рисунок 6.3 – Спектральная диаграмма
Для выделения спектральных составляющих с частотами
Г
c



и
Г
c



необходимо использовать полосовые фильтры, позволяющие выделить спектральные составляющие сигнала в оговоренном диапазоне частот. Если частоты
Г

и
c

сильно различаются, то для выделения спектральных составляющих с частотами
Г
c



или
Г
c



необходимо использовать полосовой фильтр.
Частота входного сигнала
c

может быть как больше, так и меньше частоты
Г

сигнала гетеродина. Соответственно по распределению спектра сигналов на оси частот относительно комбинационных частот
Г
c



можно рассматривать следующие случаи.
При
c
Г
 

структура спектра «переворачивается». Например, при преобразовании спектра АМ-колебания, если
c
Г
 

,то спектр этого сигнала, сдвинутый (преобразованный) по оси частот левее частоты
Г

, сохраняет свою структуру, а при
c
Г
 

сдвиг спектра приводит к тому, что нижняя и верхняя боковые полосы АМ-колебания меняются местами.
Контрольные вопросы:
1. Поясните сущность процесса преобразования частоты.
2. С какой целью применяется преобразование частоты сигнала?
3. Начертите спектры, поясняющие процесс преобразования частоты АМ колебания
4. Какие бывают схемы преобразователей частоты?

43
Раздел 7 Автоколебательные системы
7.1 Общие сведения и классификация автогенераторов
Автогенераторы являются преобразователями энергии постоянного напряжения (тока) в энергию колебаний требуемой формы, частоты и мощности.
Классификация генераторов выполняется по ряду признаков:
- форме колебаний: гармонических и негармонических (импульсных) сигналов;
- частоте колебаний: инфранизкочастотные
(менее
10Гц), низкочастотные (от 10Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100
МГц) и сверхвысокочастотные (выше 100МГц);
- выходной мощности: маломощные (менее 1 Вт), средней мощности
(ниже 100 Вт) и мощные (свыше 100 Вт).
- типу используемого активного элемента: ламповые, транзисторные, на операционных усилителях, на туннельных диодах;
- по типу частотно-избирательных цепей обратной связи - на генераторы
LC-, RC-типа.
7.2 Условия возникновения колебаний и работа автогенератора в стационарном режиме
Автоколебательная система (автогенератор) включает в себя:
- источник питания, откуда берется энергия для образующихся колебаний;
- регулятор, управляющий поступлением энергии из источника питания в колебательную систему. Регулятором обычно служит активный усилительный элемент: транзистор, электровакуумный прибор, ИМС и т.д.;
- колебательную систему, определяющую форму колебаний;
- цепь положительной обратной связи для подачи части энергии колебаний с выхода усилителя на его вход, в качестве цепи обратной связи обычно используются пассивные элементы.
Управляющий активный элемент вместе с колебательной системой образуют нелинейный частотно-избирательный усилитель, в котором максимальный коэффициент усиления достигается на резонансной частоте колебательного контура. Обобщенная структурная схема генератора приведена на рисунке 7.1.
Функционирование генератора можно разделить на два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима. На этапе возбуждения колебаний в генераторе появляются колебания, и амплитуда их постепенно нарастает. На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется, и генератор переходит в стационарный режим.

44
Источник питания
Колебательная система
Цепь положительной обратной связи
1 1
2 2
Усилительный элемент выход
Нелинейный резонансный усилитель

2
U

1
U
Рисунок 7.1 – Обобщенная структурная схема автогенератора
В момент запуска (например, при включении источника питания) в колебательной системе возникают свободные колебания, через цепь обратной связи эти первоначальные колебания передаются на вход усилителя. Пока амплитуда колебаний мала, усилитель можно считать работающим в линейном режиме. Если за один период колебаний усилитель передает на вход энергию большую той, которая расходуется за это время, то будет происходить процесс нарастания амплитуды. С ростом амплитуды автоколебаний начинает проявляться нелинейность усилительного элемента, коэффициент усиления замедляет рост. Нарастание амплитуды прекращается, когда потери в колебательной системе компенсируются, то есть на этапе установления стационарной амплитуды основную роль играет нелинейность активного элемента.
Коэффициент усиления нелинейного резонансного усилителя имеет вид
К
у
???????? =
????
2
????
1
(7.1)
Четырехполюсник обратной связи имеет свой коэффициент передачи, зависящий от частоты
К
ос
???????? =
????
1
????
2
(7.2)
Сравнивая выражения (7.1) и (7.2) можно определить, что в стационарном состоянии коэффициент усиления нелинейного резонансного усилителя К
у
????????
г
и коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи
К
ос
????????
г
являются комплексными величинами и имеют взаимообратные значения.
Отсюда следует важное соотношение, характеризующее автогенератор:
К
у
????????
г
К
ос
????????
г
= 1, (7.3) где
????
г
- частота колебаний в автогенераторе.
Если записать комплексные величины уравнения (7.3) в показательной форме, то уравнение автогенератора приобретет вид:

45
К
у
????
г
К
ос
????
г
???????????? ???? ????
у
????
г
+ ????
ос
????
г
= 1 (7.4)
Это уравнение справедливо, если, во-первых,
????
у
????
г
+ ????
ос
????
г
= 2????????, (7.5) где
???? =1, 2, 3…. – любое целое число и, во-вторых,
К
у
????
г
К
ос
????
г
= 1 (7.6)
Первое условие (выражение (7.5)) называется условием баланса фаз, второе (выражение (7.6)) - условием баланса амплитуд.
Условие баланса фаз означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен нулю или четному числу
????. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний. Если условие баланса фаз выполняется только на одной частоте, то при выполнении условия баланса амплитуд колебания будут гармоническими. Если условие баланса фаз выполняется для ряда частот, то колебания будут негармоническими.
Условие баланса амплитуд означает, что в стационарном режиме на рабочей частоте автогенератора коэффициент передачи по замкнутому контуру автогенератора должен быть равен единице, то есть модуль коэффициента усиления усилителя должен быть равен модулю обратной величины коэффициента передачи цепи положительной обратной связиК
у
????
г
= 1 К
ос
????
г
. Иначе говоря, насколько сигнал ослабляется при передаче через цепь обратной связи, настолько он должен усиливаться усилителем.
Если коэффициент усиления усилителя меньше коэффициента передачи цепи положительной обратной связи К
у
????
г
< К
ос
????
г
, то колебания в схеме генератора будут затухающими, и наоборот, при К
у
????
г
> К
ос
????
г
колебания будут нарастающими.
Процесс возникновения колебаний в автогенераторе зависит от условий, в которые поставлен усилительный элемент, то есть от выбранного
???? = ????????????????????????
U
1
−U
0
U
m рабочего режима, определяемого постоянными питающими напряжениями и величиной коэффициента обратной связи. Особую роль в выборе режима играет напряжение смещения,так как оно определяет положение рабочей точки на характеристике усилительного элемента.
Режим генератора, в котором амплитуда колебаний плавно меняется с изменением обратной связи, называется мягким режимом самовозбуждения.
Рабочую точку выбирают на линейном участке вольтамперной характеристики усилительного элемента (рисунок 7.3а). Это обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока (рисунок 7.3в).
Самовозбуждение возникает от незначительных изменений входного напряжения (рисунок 7.3б), всегда имеющихся в реальных условиях из-за флуктуации носителей заряда.
Сначала колебания нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности ВАХ рост амплитуды колебаний замедляется. Нарастание

46 а) колебаний происходит до тех пор, пока комплексный коэффициент передачи автогенератора уменьшится до единицы. В результате в автогенераторе устанавливается стационарный режим с определенной амплитудой выходных
U
0
i
вых
0
0
t
t
0
θ>90°
i
вых
u
вх
u
вх
Рисунок 7.3 -Мягкий режим самовозбуждения: вольтамперная характеристика (а), входное напряжение (б) и выходной ток (в) усилительного элемента колебаний, причем угол отсечки выходного тока
???? > 90 0
(рисунок 7.3в).
Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы.
Жесткий режим самовозбуждения колебаний характеризуется скачкообразным возникновением колебаний большой амплитуды при плавном увеличении обратной связи и скачкообразным срывом колебаний при уменьшении обратной связи. Рабочую точку задают в области минимальной крутизны (рисунок 7.4а), что приводит к затруднению самовозбуждения автогенератора.
Возникающие начальные колебания (рисунок 7.4б, кривая 1), передающиеся цепью обратной связи во входную цепь, не могут вызвать самовозбуждения автогенератора, так как транзистор закрыт. Поэтому необходим большой начальный сигнал (рисунок 7.4б, кривая 2) для открытия транзистора для нарастания амплитуды колебаний до установившегося значения. В стационарном режиме усилительный элемент работает с углами отсечки выходного тока θ
< 90 0
(рисунок 7.4в). б) в)

47 а)
Для удобства эксплуатации автогенератора целесообразнее применять мягкий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника питания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки θ
< 90 0
обеспечиваются более высокийкоэффициент полезного действия автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного элемента.
U
0
i
вых
0
1
t
t
0
θ<90°
i
вых
2
1
2
u
вх
u
вх
Рисунок 7.4 - Жесткий режим самовозбуждения: вольтамперная характеристика (а), входное напряжение (б) и выходной ток (в) усилительного элемента
7.3 Практические схемы автогенераторов
В автогенераторах широко применяется автоматическое смещение. Его применение обеспечивает возможность работы автогенератора при первоначальном включении в режиме мягкого самовозбуждения с последующим автоматическим переходом в режим жесткого самовозбуждения.
Этого достигают применением в автогенераторе специальной цепи автоматического смещения. На рисунке 7.5 изображена упрощенная принципиальная схема автогенератора на биполярном транзисторе VT, нагрузкой которого является колебательный контур L2C2.
В этой схеме цепь обратной связи образована катушкой контура L2 и катушкой обратной связи в цепи базы L1. Коэффициент передачи цепи в) б)