Преобразователи частоты

Общие сведения

Преобразователь частоты линейно переносит спектр радиосигнала с одной несущей частоты на другую частоту, называемую промежуточной. Для данного приемника промежуточная частота постоянна и в большинстве случаев она ниже частоты сигнала.

Форма напряжений на входе и выходе ПЧ и спектры частот при амплитудной модуляции сигнала одной частотой приведены на рис. 3.3.24,

Рис.3.3.24

из которого видно, что спектр сигнала и форма его огибающей не изменились. При этом спектр сигнала сместился с высокой частоты на более низкую промежуточную частоту.

Преобразование частоты может сопровождаться усилением сигнала, но может быть и без усиления. Преобразователи частоты представляют собой нелинейные системы или линейные системы с переменными параметрами, периодически изменяющимися во времени. При использовании последней системы преобразование частоты называют параметрическим. Преобразование частоты сводится к умножению двух сигналов, частоты которых отличаются на величину промежуточной частоты. Напряжение последней выделяется резонансной нагрузкой.

На основании рассмотренного можно сделать вывод, что схема преобразователя частоты должна содержать:

—смеситель — нелинейный элемент или элемент с переменным параметром,

—гетеродин,

—резонансную нагрузку.

Структурная схема преобразователя частоты приведена на рис. 3.3.25.

Рис.3.3.25

Гетеродин — автогенератор, выполненный на лампах, транзисторах, туннельных диодах и клистронах.

По принципу преобразования частоты схемы преобразователей делят на две группы.

Кпервой группе относятся схемы, в которых смеситель выполнен на нелинейных элементах. Процесс преобразования частоты происходит при воздействии суммы напряжений сигнала и гетеродина на нелинейный элемент.

Нелинейными элементами являются: электронные лампы, транзисторы, полевые транзисторы, полупроводниковые диоды и параметрические диоды (нелинейная емкость). Ко второй группе относится, немногочисленный класс параметрических преобразователей на многосеточных лампах. Напряжения сигнала и гетеродина воздействуют на разные сетки лампы. Напряжение гетеродина изменяет крутизну лампы, что создает элемент с переменным параметром.

По характеру проводимости преобразователи делят на два типа:

— преобразователи с нелинейной активной проводимостью;

— преобразователи с нелинейной реактивной проводимостью.

В первом типе преобразователей используют электронные лампы, транзисторы, полевые транзисторы и полупроводниковые диоды; Во втором — нелинейную емкость параметрических диодов.

Перечислим электрические характеристики преобразователей. Коэффициент передачи преобразователя по напряжению и мощности.

Если преобразование частоты сопровождается усилением, то его величину характеризуют коэффициентом усиления преобразователя. Усилением обладают преобразователи на УП, а у диодных преобразователей оно отсутствует.

Диапазон рабочих частот определяется диапазоном частот приемника. Перестройкой частоты гетеродина обеспечивают постоянство промежуточной частоты в рабочем диапазоне частот.

Избирательность по соседнему каналу определяется видом частотной характеристики резонансной нагрузки. Специфической особенностью преобразователя является получение промежуточной частоты на разных частотах сигнала при одной и той же частоте гетеродина, что создает дополнительные каналы приема. Прием по этим каналам можно значительно ослабить, повышая изби­рательность перед преобразователем.

Комбинационные свисты. На определенных частотах, сигнала в преобразователе образуется колебание промежуточной частоты и из-за взаимодействия гармоник напряжений гетеродина и сигнала колебание комбинационной частоты,близкой, к промежуточной частоте. Разность этих частот дает звуковую частоту (свист).

Линейные и нелинейные искажения.

Коэффициент шума.

Детекторы

Общиесведения

Детектирование электрических колебаний — одна из важнейших функций любого приемника. Необходимость детектирования вытекает из основного назначения приемника, заключающегося в извлечении полезной информации из сигнала, поступившего на его вход. Полезная информация передается с помощью амплитудной, частотной, фазовой и других видов модуляции. Соответственно этому различают амплитудные, частотные, фазовые и другие виды детекторов.

Амплитудные детекторы.

Они служат, для детектирования непрерывных гармонических и импульсных сигналов без амплитудной модуляции и с амплитудной модуляцией. Такие детекторы находят применение в основных каскадах приемника, во вспомогательных устройствах автоматических регуляторов усиления, являются составной частью частотных и фазовых детекторов и ис­пользуются в других устройствах.

Амплитудное детектирование может осуществляться в нелинейных: системах и в системах с периодически изменяющимися параметрами. Нелинейные детекторы, преимущественно используемые на практике, состоят из резистивного нелинейного элемента, которым служит электровакуумный или полупроводниковый прибор, и линейной пассивной цепи, являющейся нагрузкой. К основным нелинейным детекторам относятся детекторы на ламповых и полупроводниковых диодах, сеточные, анодные и катодные на триодах или пентодах и детекторы на транзисторах. Примером линейного детектора с переменными параметрами является так называемый синхронный детектор.

Простейшим и широко используемым на практике является нелинейный диодный детектор, имеющий последовательную или параллельную схему включения диода. В последовательном детекторе (рис. 3.3.26, а) нелинейный элемент — ламповый или полупроводниковый диод — и нагрузка включены последовательно с источником входного высокочастотного напряжения, причем нагрузка представляет параллельное включение активного сопротивления R и емкости конденсатора С.

В схеме параллельного детектора (рис. 3.3.26, б), по принципу действия аналогичной схеме рис. 3.3.26, а, напряжение подается через конденсатор С в цепь, состоящую из параллельного соединения диода и резистора нагрузки R. В такой схеме детектор можно подключать непосредственно к зажимам, находящимся под высоким постоянным напряжением, и что не менее важно, постоянная составляющая тока диода не протекает через контур, с которого снимается входное напряжение. Как правило, напряжение, подводимое к детектору, снимается с контура, являющегося нагрузкой выходного каскада усилителя промежуточной частоты.

Рис.3.3.26

Приложим к входу детектора (рис.3.3.26) напряжение высокой частоты и_вх = U₀ sin (ωt+ φ). Заметим, что величина емкости С нагрузки должна быть выбрана такой, чтобы сопротивление нагрузки детектора для токов высокой частоты было достаточно малым. В этом случае практически все высокочастотное напряжение будет приложено к зажимам диода, поскольку сопротивление нагрузки детектора пренебрежимо мало. Из-за униполярной проводимости диода под действием приложенного напряжения в цепи детектора будет протекать пульсирующий ток в виде периодической последовательности косинусоидальных импульсов. Этот несинусоидальный ток содержит постоянную составляющую, которая, протекая через резистор R, вызывает на нем дополнительное падение напряжения.

Очевидно, каждому значению амплитуды высокочастотного сигнала U будет соответствовать некоторое значение выпрямленного тока А. Зависимость А от Uназывают детекторной характеристикой, являющейся важнейшей характеристикой любого детектора. При больших сопротивлениях нагрузки R характеристика почти линейна, что свидетельствует о наличии пропорциональности между приращением амплитуды высокочастотного напряжения и приращением выпрямленного тока.

Частотные детекторы

Частотные детекторы, применяемые в радиоприемниках, выполняют обычно одну из следующих двух функций: 1) преобразование частотно-модулированного сигнала в напряжение, которое изменяется во времени в соответствии с законом изменения частоты входного сигнала и 2) преобразование отклонения несущей частоты сигнала от ее номинального значения в постоянное напряжение, величина и знак которо го характеризуют величину и знак этого отклонения. Первая функция характерна для частотных детекторов — демодуляторов, входящих в состав приемников частотно-модулированных колебаний. Вторая функция необходима для выработки сигнала ошибки слежения в системах автоматической подстройки частоты (АПЧ). В этом случае частотный детектор используется в качестве частотного дискриминатора системы АПЧ.

Важнейшей характеристикой частотного детектора является его де­текторная характеристика (рис. 3.3.27). Она представляет собой зависимость постоянного напряжения на выходе детектора от отклонения частоты ω входного сигнала от ее номинального значения ω₀при неизменной амплитуде сигнала. Это номинальное значение, как правило, равно номинальной промежуточной частоте приемника. Частота ω₀, при которой выходное

Рис.3.3.27

напряжение частотного детектора обращается в нуль, называется переходной частотой.

В качестве рабочего участка детекторной характеристики выбирается ее прямолинейная часть, лежащая между, обеими экстремальными точками (горбами). Располагая детекторной характеристикой, можно определить два параметра частотного детектора: крутизну S_ЧД детекторной характеристики и ее раствор П_Д.

Под раствором характеристики частотного детектора, строго говоря, следует понимать область частотных отклонений, в пределах которой отклонение детекторной характеристики от прямой не превышает заданной величины. При ориентировочных оценках возможностей частотного детектора можно считать раствором интервал частот, лежащий между горбами его детекторной характеристики.

Требования, предъявляемые к параметрам S_ЧД ,П_Ди ω₀, могут быть в общих чертах сформулированы следующим образом: для данных П_Ди ω₀ крутизна S_ЧД должна быть возможно большей; раствор П_Д должен соответствовать тому диапазону частотных отклонений Δω, которые возможны в условиях эксплуатации приемника; переходная частота ω₀ должна быть достаточно стабильной.

В принципиальном отношении требования, предъявляемые частотному демодулятору, отличаются от требований к частотному дискриминатору.

Это отличие связано с формой входных сигналов: демодулятор должен реагировать на сигнал сложной формы, а дискриминатор должен вырабатывать реакцию на синусоиду при отклонениях ее частоты от номинальной.

В зависимости от назначения частотного детектора роль перечисленных параметров различна. Например, при детектировании частотно-модулированных колебаний необходимо, чтобы частотный детектор не вносил искажений в передаваемое сообщение. Для этого требуется высокая линейность детекторной характеристики при довольно большом растворе П_Д, а также линейная и безынерционная передача всех компонентов спектра полезного сообщения. В этом случае требования к крутизне S_ЧД и стабильности переходной частоты ω₀ ослаблены. Проигрыш в крутизне легко компенсируется увеличением коэффициента усиления УНЧ, расположенного за частотным детектором. Нестабильность переходной частоты ω₀ приводит к появлению на выходе детектора постоянной составляющей, которая отфильтровывается дальнейшими каскадами приемника. Применение частотного детектора в ка­честве дискриминатора системы АПЧ сопряжено с необходимостью обеспечивать высокую стабильность переходной частоты ω₀, возможно большую крутизну S_ЧД и отсутствие пульсаций в выходном напряже­нии. Отклонение ω₀ от заданного значения вызывает систематическую ошибку измерения частоты принимаемого сигнала. При малой крутизне S_ЧДчастотного дискриминатора ухудшается качество работы системы АПЧ. Во избежание этого вслед за детектором можно включить усилитель постоянного тока (УПТ). Однако это усложняет систему АПЧ в целом.

Как будет показано далее, крутизна детекторной характеристики для большинства схем детекторов зависит от амплитуды входного сигнала. Такая зависимость приводит к тому, что частотный детектор реагирует не только на изменение частоты, но и на паразитную амплитудную модуляцию сигнала. Тем самым частотный детектор вносит искажения в передаваемое сообщение при демодуляции сигнала, при использовании его в качестве дискриминатора изменяет характеристики системы АПЧ. Для устранения чувствительности к амплитудной модуляции прибегают к одной из следующих двух мер:

1) снимают амплитудную модуляцию сигнала, вводя в схему приемника амплитудный ограничитель, предшествующий частотному детектору, или

2) применяют специальные схемы частотных детекторов, малочувствительных к амплитудной модуляции сигнала.

В настоящее время известны способы непосредственной демодуляции частотно-модулированных (ЧМ) колебаний и способы, осуществляющие преобразование ЧМ сигнала в сигнал с иным видом модуляции с последующим детектированием его. Вторичным видом модуляции является амплитудная, фазовая или временно-импульсная модуляция. Среди указанных наибольшее распространение получил способ преобразования ЧМ колебаний в колебания с амплитудной модуляцией. Частотные детекторы, работающие по этому принципу, относятся к группе частотно-амплитудных детекторов.

Детектирование ЧМ сигнала в таком детекторе происходит следующим образом. Сначала входное колебание подается на избирательную систему, преобразующую частотную модуляцию в амплитудную. Эта операция является линейной. Далее происходит детектирование AM колебания в амплитудном детекторе.

Большинство частотных детекторов построено по дифференциальной схеме с вычитанием напряжений на низкой частоте. Это позволяет получить на переходной частоте нулевое напряжение, расширить линейный участок детекторной характеристики и уменьшить величину комбинационных составляющих в выходном напряжении.

Существующие схемы частотных детекторов отличаются принципом
построения преобразователя вида модуляции, а также способом включения амплитудных детекторов.

Частотные детекторы с двумя связанными контурами. Одна из наиболее распространенных схем частотного детектирования приведена на рис. 3.3.28.

Рис.3.3.28

В ней оба контура настроены на номинальную промежуточную частоту ω₀ приемника. Напряжение этой частоты на каждом из диодов является суммой напряжения на коллекторе транзистора, которое поступает на среднюю точку 2-го контура и на дроссель Др через конденсатор С₀, и напряжения на соответствующей половине 2-го контура. Последнее возникает за счет взаимоиндукции М, существующей между катушками L₁ и L₂. Ток, выпрямленный диодом Д1, проходит через резистор R₁ ,дроссель и верхнюю половину катушки L₂. Выпрямленный ток нижнего диода Д₂ замыкается через резистор R₂, дроссель и нижнюю половину катушки L₂. Напряжения, созданные этими токами на резисторах R₁ и R ₂, включены последовательно и имеют противоположную полярность. На выходе действует их разность.

Если промежуточная частота совпадает со своим, номинальным зна­чением, т. е. с собственной частотой ω₀ контуров детектора, то напряжения на обоих диодах имеют одинаковую амплитуду. В этом можно убедиться, рассматривая векторную диаграмму (рис. 3.3.29).

Рис.3.3.29

Ток I₁ в катушке 1-го контура отстает по фазе от напряжения U₁ на ней приблизительно на 90°. Э. д.с. взаимоиндукции Ем, наводимая этим током во 2-м контуре, отстает от тока I₁ на 90°. Ток I₂ во 2-м контуре при резонансе совпадает но фазе с Ем. Напряжения U₂’ и U₂” на обеих половинах катушки L₂сдвинуты относительно тока I₂ на 90° и взаимно противоположны по фазе, если отсчитывать их от средней точки катушки. Напряжение на каждом из диодов получается геометрическим сложением вектора U₁ с одним из векторов U₂’ и U₂”. Векторная диаграмма показывает, что напряжения U_I и U_II на обоих диодах имеют одинаковую величину и поэтому разность напряжений, выпрямленных обоими диодами, оказывается равной нулю. Следовательно, на переходной частоте ω₀ выходное напряжение; частотного детектора равно нулю.

Если промежуточная частота отличается от своего номинального значения, то контуры частотного детектора оказываются расстроенными. Взаимное расположение векторов I₂, U₂’ и U₂” остается при этом неизменным, как и взаимное расположение векторов U1,I1 и Ем. Однако расстройка 2-го контура вызывает появление сдвига фаз между векторами Е_ми I₂ на угол φ. Знак этого угла зависит от знака расстройки. Если промежуточная частота выше собственной частоты контуров, то векторная диаграмма принимает вид, показанный, на рис. 3.3. 30.

Рис.3.3.30

Теперь напряжение на диоде Д₁ больше, чем на Д₂, и на выходе детектора, появляется положительное напряжение, возрастающее с увеличением расстройки.

При противоположном знаке расстройки преобладает выпрямленное напряжение диода Д₂ и на выходе детектора действует отрицательное напряжение.

Детекторная характеристика схемы имеет вид, показанный на рис. 3.3.27. Сгибы ее неизбежны, поскольку при больших расстройках амплитуды напряжений на обоих диодах падают.

Из-за зависимости разности фаз колебаний и₁ и и₂' (и₂”) от расстройки частоты сигнала этот детектор иногда называют фазометрическим детектором.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит преимущество приемников супергетеродинного типа по отношению к приемникам прямого усиления?

2.Что такое зеркальный канал приема?

3.В чем заключаются основные функции входной цепи приемников?

4.Назначение УРЧ?

5.Каковы функции УПЧ?

6.Чем вызвана необходимость преобразования частоты?