МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Алматинский институт
энергетики и связи
Кафедра телекоммуникационных
систем
РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Конспект лекций
Алматы 2006
СОСТАВИТЕЛИ: Артюхин В.В., Гладышева Н.Н.. Радиопередающие устройства. Конспект
лекций (для студентов всех форм обучения специальности 050719
– Радиотехника, электроника и телекоммуникации). – Алматы:
АИЭС, 2006. – 69 с.
Конспект лекций
предназначен для помощи при самостоятельном изучении курса «Радиопередающие
устройства». В конспекте приведен обзор
основных путей развития передатчиков и решения технических задач при развитии радиопередающих устройств. Необходимость самого конспекта лекций
обусловлена потребностью более
глубокого понимания процессов, происходящих в радиопередающих устройствах, и направлена на то, чтобы студенты могли
ориентироваться, на какие вопросы, темы или аспекты они должны уделить
наибольшее внимание при изучении данного курса. Развитие радиопередающих
устройств не стоит на месте, появляются новые способы реализации тех или
иных технических параметров радиопередатчика, новые стандарты передачи
информации, поэтому в конспекте лекций, помимо описания основных принципов
построения схем передатчиков, представлены ссылки на литературу, которая может
быть использована при изучении той или иной темы. Приведены основные
структурные и принципиальные схемы, необходимые для понимания процессов,
происходящих в радиопередающих устройствах.
Конспект лекций
предназначен для студентов радиотехнических специальностей, обучающихся в
бакалавриате, по специальности 050719 – Радиотехника, электроника и
телекоммуникации.
Табл. 1, ил.
68, библиогр. – 10 назв.
Рецензент: доц., канд.техн.наук Коньшин С.В.
©Алматинский институт энергетики и связи, 2006.
Введение
Радиопередающие устройства занимают
одно из основополагающих мест в радиотехнике. Прогресс в технике
радиопередающих устройств за последние годы, возникновение новых технических
направлений, изменение нормативов на технические характеристики передатчиков,
появление новой элементной базы - все это определяет необходимость изучения
основ и понимания не только процессов, происходящих в радиопередатчиках, но и
видения перспектив их развития.
В технике радиосвязи, радиовещания и
телевидения более точно определились места ряда систем и перспективы их
развития. К таким системам следует отнести однополосное радиовещание, цифровое
радиовещание, различные системы связи с подвижными объектами, носимые
радиотелефоны, бесшнуровые телефоны, спутниковое телевидение и другие. Получил
признание ряд новых технологических решений: телевизионные и средневолновые
вещательные передатчики на полевых транзисторах, построенных по модульному
принципу, мощные усилители ЗЧ класса Д, усилители на транзисторах с затвором
Шотки для диапазонов УВЧ и СВЧ, усилители для совместного усиления
телевизионных сигналов видео- и звукового сопровождения на новых линейных транзисторах
и др.
Так как в ограниченном объеме конспекта лекций не отразить всего
материала, подразумевается, что студент должен освоить минимум необходимой
информации, а все остальное зависит от стремления студента к познаниям. В то же
время без данного минимума невозможно изучать последующие курсы, такие, как
системы подвижной связи, многоканальные системы, спутниковые и радиорелейные
системы и другие.
Лекция 1. Назначение
и классификация радиопередающих
устройств
Цель занятия:
1.
Назначение и принцип
действия передатчика.
2.
Классификация
передатчиков.
3.
Основные направления
развития передатчиков.
Радиопередающие устройства (РПДУ) – устройства, генерирующие и
формирующие радиосигнал. Формирование сигнала (модуляция) осуществляется в
соответствии с законом сообщения. Ниже приведены функции передатчиков в радиосистемах и основные
требования к ним.
Передатчики должны обеспечивать:
- генерирование несущей радиочастоты и ее усиление до
соответствующего уровня на выходе –
излучаемая мощность передатчика;
- модуляцию несущей
радиочастоты сигналом, содержащим передаваемые данные, заранее определенного
уровня – глубина модуляции для АМ, девиация частоты для ЧМ и ФМ. Процессы
должны сопровождаться минимумом шумов и искажений. Необходимо предотвращать
модуляцию, превышающую допустимый уровень;
-
излучение минимума сигналов на частотах вне допускаемой полосы.
Внеполосное «ложное» излучение строго отслеживается по нормативам Агентства
радиосвязи МРТ.
На основании
вышеизложенного в состав радиопередающего устройства должны входить:
- высокочастотный
задающий автогенератор;
- модулирующее
устройство;
- усилитель
мощности (генератор с внешним возбуждением);
- устройство
питания и контроля.
В зависимости от изменяемого параметра несущей радиочастоты
(вида модуляции) радиопередающие устройства бывают:
- с амплитудной модуляцией;
- с угловой модуляцией (частотной или фазовой);
- с импульсной модуляцией.
Вид модуляции,
рабочая частота (диапазон рабочих частот) и выходная мощность определяются
назначением передатчика. Ориентировочно
классификация
РПДУ по диапазону частот и колебательным мощностям:
- 10кГц
- 100кГц – сверхнизкие частоты (объекты ниже уровня моря – шахты, подводные
лодки и др.) мощностью до 100кВт;
-
100-250кГц - диапазон ДВ (применяют вещательные передатчики мощностью до 2
МВт.(ПСВ-2000));
- 525-1625кГц - диапазон СВ - до 1 МВт;
- 250-525кГц - применяют в радионавигации
(суда, самолеты) - до 50 кВт;
-
1.5-30МГц - радиовещательные станции мощностью до 200 кВт, а также передатчики
магистральных линий связи (телеграф, телефон);
-
35-45МГц - низовая, стационарная или подвижная связь (в пределах города или
района) мощностью 10-15Вт, частотная модуляция;
- 48,75-230МГц - частоты телевизионных каналов (метровый
диапазон 12 телевизионных каналов), амплитудная модуляция, звуковое
сопровождение с частотной модуляцией;
- 66-72МГц
- диапазон УКВ;
- 140-160МГц - низовая связь;
- 430-1000МГц - диапазон ДМВ (440-460МГц выделены для
низовой связи);
- 11ГГц - радиорелейная связь, бортовые станции
искусственных спутников Земли мощностью
40-200Вт, наземные передатчики на спутники мощностью 4-15кВт,
передатчики тропосферных линий связи мощностью 4-15кВт;
- 10^13-10^15Гц - оптические линии связи. В качестве
передатчиков используются лазеры и светодиоды (на одной оптической частоте
можно передать всю информацию радиодиапазона).
По своему назначению радиопередающие устройства имеют
название системы, в которую они входят:
- радиосвязные (магистральные, зоновые, низовые,
радиорелейные, тропосферные, спутниковые и др.);
- радиовещательные;
- телевизионные (передатчики изображения и звукового
сопровождения);
- радиолокационные и радионавигационные;
- радиотелеметрические и другие.
В зависимости от диапазона частот и
колебательной мощности передатчики могут быть выполнены:
- на радиолампах;
- на транзисторах, микросборках или
микросхемах;
- на элементах СВЧ- техники (магнетроны, диоды Ганна, ЛБВ и
др.).
Основными направлениями
развития радиопередающих устройств в настоящее время являются:
- разработка и создание новых типов транзисторов, способных
работать на частотах до 40ГГц с выходной мощностью до несколько десятков Вт;
- использование цифровых, помехозащищенных способов
модуляции;
- освоение более высокочастотных диапазонов.
Литература: [6, стр.9-15].
Лекция 2. Генератор с внешним
возбуждением
Цель занятия:
1.
Назначение и принцип
действия ГВВ.
2.
Особенности работы
ламповых ГВВ.
3.
Особенности работы
транзисторных ГВВ.
Как видно из структурной схемы радиопередающего
устройства, приведенной на рисунке 2.1, одним из основных элементов передатчика
является генератор с внешним возбуждением (ГВВ) – устройство, преобразующее
энергию источника постоянного тока в энергию тока высокой частоты. При этом
частота колебаний, полученных на выходе генератора с внешним возбуждением, не
зависит от параметров элементов схемы генератора, а определяется частотой
поданных на вход колебаний.
В качестве усилительного прибора ГВВ в современных радиопередатчиках
используются электровакуумные лампы, биполярные и полевые транзисторы, диоды
Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД) магнетроны, клистроны, лампы бегущей
волны, тиратроны и др. Применение того или иного усилительного прибора определяется
мощностью и диапазоном рабочих частот. Маломощные генераторы выполняются в
основном на биполярных транзисторах.
Рисунок
2.1 - Структурная схема радиопередающего устройства: ЗГ - задающий генератор;
ПУ - промежуточный
усилитель; ОУМ - оконечный усилитель мощности; ИП - источник питания; М -
модулятор
Ламповый генератор с внешним
возбуждением. Простейшая
схема лампового генератора с внешним возбуждением приведена на рисунке 2.2. В
ней имеются следующие электрические цепи: цепь анода: источник
анодного
питания ЕА, колебательный контур LC, участок анод – катод лампы,
соединительные провода; цепь управляющей сетки: источник напряжения смещения ЕС, источник переменного напряжения UС, участок сетка – катод лампы и
соединительные провода; цепь накала
катода: источник напряжения накала, нить накала и соединительные
провода.
Физические процессы в схеме генератора с внешним возбуждением
протекают следующим образом. Будем считать: напряжение катода накала уже
включено, катод накален и эмиттирует электронный поток, во входной сеточной цепи включено напряжение
смещения ЕС, устанавливающее начальное
положение рабочей точки на анодно-сеточной характеристике лампы. После этого
включается напряжение источника анодного питания ЕА. При
включенных двух постоянных напряжениях ЕА и ЕС протекает
только постоянный анодный ток IА0 по
цепи: +ЕA, индуктивная ветвь контура, анод – катод
внутри лампы, -ЕA. Значение тока IА0
можно определить по статической характеристике, как показано на рисунке 2.3,
измерить амперметром А0, включенным
в цепь постоянного анодного тока (рисунок 2.2).
Напряжение высокой частоты, которое надо усилить, подается
во входную сеточную цепь лампы. Это
напряжение называют напряжением возбуждения.
Для простоты анализа его принимают косинусоидальным
, (2.1)
где UC – амплитудное
значение напряжения возбуждения. Под действием переменного напряжения
возбуждения ток в цепи анода будет изменяться
, (2.2)
где IA0 –
постоянная составляющая анодного тока, создаваемая источником анодного питания,
IA~ –
амплитудное значение переменной составляющей анодного тока, вызванное
действием напряжения возбуждения.
Переменная составляющая анодного тока
протекает по цепи: анод – катод внутри лампы, через источник питания (через конденсатор
СБЛ), колебательный контур
к аноду лампы. Колебательный контур, настроенный в резонанс с частотой
напряжения возбуждения, оказывает переменной составляющей анодного тока
большое (RЭ = 10
кОм) и чисто активное сопротивление RЭ.
Поэтому переменная составляющая IA~,
проходя через контур, создает на нем падение напряжения
.
(2.3)
Вследствие усилительных свойств лампы напряжение UВЫХ = UА
будет намного больше подведенного к сетке напряжения возбуждения. Мощность
созданных в контуре колебаний будет также больше мощности колебаний, поданных
на вход генератора. Таким образом, в процессе работы генератора происходит
усиление подведенных ко входу колебаний по мощности.
Транзисторный генератор с
внешним возбуждением. Процесс усиления колебаний в этой схеме происходит следующим
образом. При включении источника коллекторного питания ЕК в выходной цепи протекает слабый начальный ток,
называемый обратным током коллектора и обозначаемый IКЭ0. Для схемы с общим эмиттером обратный ток коллектора IКЭ0 определяется при токе базы, равном нулю,
как показано на рисунке 2.5. Обратный ток коллектора протекает по цепи: +ЕК, контур LС, коллектор – база – эмиттер транзистора, –ЕК. Значение обратного тока
коллектора определяется концентрациями неосновных носителей заряда, поэтому
обратный ток коллектора во многих случаях можно не учитывать.
Для установления рабочей точки в исходное положение во
входную цепь транзистора включается постоянное напряжение смещения ЕБЭ. Таким образом, в исходном
режиме к переходам транзистора приложены два постоянных напряжения: смещения ЕЕЭ и питания ЕК.
При этом в цепях транзистора протекают только постоянные токи.
При включении переменного напряжения возбуждения во входной
цепи появляется переменная составляющая входного тока, протекающая по цепи: от
источника напряжения возбуждения (точка 1, рисунок 2.4), база –
эмиттер, к источнику возбуждения (точка 2). Транзистор, как известно,
является электронным прибором, управляемым током. Это значит, что изменение в
небольших пределах напряжения на эмиттерном переходе UЭБ вызывает значительное изменение входного IБ, а следовательно, и выходного IK токов. Переменная составляющая
коллекторного тока iК
протекает в выходной цепи: коллектор –
эмиттер, через источник питания ЕK (через СБЛ),
контур LС, коллектор.
На контуре переменная составляющая коллекторного тока создает переменное
падение напряжения , значение которого больше, чем на входе. Таким образом, в
транзисторном генераторе с внешним возбуждением осуществляется усиление
колебаний по току, напряжению, а следовательно, и по мощности.
Литература: [6,
стр.16 – 41].
Лекция 3. Режимы работы генератора колебаниями первого и
второго рода
Цель занятия:
1.
Особенности основных
режимов работы ГВВ.
2.
Режим линейного усиления.
3.
Режимы усиления с
отсечкой выходного тока.
Режим
работы генератора колебаниями первого рода. Режим работы генератора, при котором переменный ток iВЫХ в выходной цепи протекает на протяжении
всего периода колебаний во входной цепи генератора, называется режимом
колебаний первого рода. Для осуществления такого режима рабочую точку в
исходном состоянии выбирают на середине линейного участка на вольт-амперной характеристике
усилительного прибора. На рисунке 3.1 показан выбор рабочей точки в режиме
колебаний первого рода на анодно-сеточной характеристике лампы при ЕС
= 0.
Рисунок
3.1 – Графики токов и напряжений при колебаниях первого рода
При действии во входной цепи генератора только постоянного
напряжения смещения, т.е. при еС =ЕС , в выходной
цепи протекает только постоянный ток IА0. Поскольку сопротивление катушки контура для постоянного
тока незначительно, падением напряжения на ней пренебрегаем. Тогда можно
считать, что все напряжение источника питания выходной цепи ЕА (рисунок
2.2) приложено к аноду, т. е. еА=ЕА0. В этом
случае источник питания расходует мощность Р0
= IА0 ЕА0. Эта мощность называется подводимой.
Таким образом, при действии во входной цепи только постоянного
напряжения смещения и отсутствии напряжения возбуждения вся мощность,
расходуемая источником питания, выделяется на аноде в виде тепла Р0 = РА. Это
бесполезные затраты энергии источника питания.
При включении переменного напряжения
возбуждения в цепи управляющей сетки действует результирующее напряжение . В этом случае в выходной цепи, кроме постоянного анодного
тока, протекает еще и переменный анодный ток IA~ . Так как рабочая точка находится на прямолинейной части
характеристики лампы, то приращение анодного тока прямо пропорционально
приращению напряжения на сетке. В результате этого анодный ток изменяется по
тому же закону, что и напряжение на сетке, т. е. . Во время положительного полупериода электронный поток
больше (участок t2–t4 на рисунке 3.1, б), а во время отрицательного (участок t4–t6 на рисунке 3.1, б) он меньше, чем при постоянном значении анодного
тока IА0.
Поскольку контур настроен в резонанс с
частотой переменного анодного тока (RЭ большое), то на контуре создается большое падение напряжения. Переменное напряжение UK создает в контуре ток IK,
называемый контурным. Значение контурного тока IK в Q раз больше
переменного анодного тока , где Q – добротность контура. Измеряют контурный ток амперметром A2, включенным в разрыв цепи контура, как
показано на рисунке 2.2. В результате
изменения
напряжения на контуре Рисунок 3.2 - Графики
фазовых результирующее напряжение на аноде
соотношений между токами и также изменяется. Граничные
напряжениями в генераторе с
внешним мгновенные значения результирующего
возбуждением при колебаниях напряжения на аноде определяются
первого рода
граничными
значениями . При значение и результирующее
напряжение на аноде будет минимальным . Это значение напряжения на аноде называют остаточным напряжением.
При значение и результирующее напряжение на аноде будет
максимальным .Амплитуда напряжения на контуре UK может достигать значения, близкого к
величине напряжения источника питания, т.е. . Таким образом, мгновенное значение напряжения на аноде изменяется от нуля до удвоенного значения ЕА
(3.1)
На рисунке 3.2 приведены временные
диаграммы, характеризующие фазовые соотношения между напряжениями и токами в
генераторе. Рассматривая их, замечаем, что напряжение между анодом и катодом
еА пульсирующее. Оно состоит из постоянного напряжения
источника анодного питания ЕА и переменного напряжения на контуре иК.. Переменное напряжение на
аноде лампы является выходным напряжением генератора. Поскольку
протекающий через контур анодный ток и напряжение по фазе совпадают, то
в контуре выделяется мощность
. (3.2)
Режим работы генератора колебаниями
второго рода. Режим работы генератора, при котором ток
в его выходной цепи протекает через усилительный прибор (лампу или транзистор)
на протяжении части периода изменения напряжения возбуждения, называется режимом колебаний второго рода. Для
установления такого режима исходную рабочую точку надо сместить, как показано
на рисунке 3.3. Это достигается увеличением напряжения смещения. При этом
возможны три случая:
Рисунок
3.3 – Графики токов и напряжений при колебаниях второго рода
а) если рабочая точка А смещена на
нижний изгиб характеристики (рисунок 3.3, а), то выходной ток будет протекать
через усилительный прибор на протяжении только положительного полупериода
напряжения возбуждения. На протяжении отрицательного полупериода выходного тока
не будет, т. е. нижняя половина тока отсекается;
б) при увеличении напряжения смещения
рабочая точка сместится еще больше влево, и выходной ток будет проходить на
протяжении времени, меньшем половины периода
(рисунок 3.3, б);
в) если рабочую точку переместить
вправо (рисунок 3.3, в), то ток в выходной цепи будет протекать на протяжении
части периода, большей полпериода.
Таким образом, при колебаниях второго рода ток в выходной
цепи усилительного прибора генератора имеет форму периодической
последовательности импульсов, продолжительность которых зависит от значения
напряжения смещения.
По форме импульсы выходного тока генератора бывают:
косинусоидальные – имеют вид косинусоиды (но нагляднее рисовать их
синусоидальными), как показано на рисунке 3.3; косинусоидальные притуплённые –
верхняя часть косинусоидального импульса несколько притуплена за счет верхнего
изгиба характеристики усилительного прибора (рисунок 3.3, г, импульс А); косинусоидальные с верхней
отсечкой – верхняя часть импульса значительно срезана (рисунок 3.3, г, импульс В).
Косинусоидальные импульсы выходного тока характеризуются
двумя основными параметрами: амплитудой импульса и углом нижней отсечки .
Амплитудой импульса называют максимальное значение тока в
импульсе.
Углом нижней отсечки называют выраженную в угловой мере
(радианах или градусах) половину части периода, в течение которой протекает
ток. Этот угол может иметь значение от нуля до 180°. При =180° генератор работает в режиме колебаний первого рода, а
при 0<<180° – в режиме колебаний второго рода. В усилителях
напряжения режим при = 90° называют
режимом класса В, при >90° – режимом класса АВ, при <90° – режимом класса С.
Литература: [6,
стр.74 – 97].
Лекция 4. Гармонический анализ импульсов выходного тока
генератора
Цель занятия:
1.
Составляющие
косинусоидального импульса.
2.
Энергетические
показатели основных режимов работы ГВВ.
Для анализа тока, протекающего в виде периодической
последовательности импульсов косинусоидальной формы, пользуются теоремой Фурье.
Согласно теореме Фурье, периодическая последовательность косинусоидальных
импульсов тока может быть представлена в виде суммы ряда гармонических
составляющих и постоянной составляющей
, (4.1)
где – постоянная
составляющая; , – гармонические
составляющие, часто называемые просто гармониками.
Первая гармоническая составляющая является основной. Постоянная
составляющая , а также амплитуды всех гармоник зависят от угла отсечки и от амплитуды
импульса
, . (4.2)
где – коэффициенты
пропорциональности, которые называют коэффициентами разложения. Они зависят от
угла нижней отсечки и показывают, какую часть
амплитуды импульса составляет
каждая составляющая.
Коэффициенты разложения вычислены и приведены в таблицах, называемых таблицами А.И. Берга. По этим данным
построены зависимости , приведенные на рисунке 4.1. Пользуясь ими, можно
проследить зависимость энергетических показателей генератора от угла отсечки . Так, коэффициент с увеличением увеличивается,
достигая максимума при = 120°. Это означает,
что амплитуда первой гармоники тока имеет наибольшее значение при = 120°.
Следовательно, и
Рисунок
4.1 - Графики колебательная мощность будет
коэффициентов Берга наибольшая. При = 90° амплитуда
первой
гармоники
меньше, чем при = 120°, и составляет
половину амплитуды импульса. Значение с увеличением отсечки
увеличивается.
Зависимость коэффициентов разложения других гармоник можно проследить по их
кривым. Для примера на рисунке 4.2 приведены кривые составляющих тока косинусоидального
импульса при = 90°.
Рисунок 4.2 – Графики разложения косинусоидальных импульсов на составляющие при =90°
Коэффициент полезного
действия. Учитывая
соотношения токов и напряжений, определим максимально возможный КПД при
колебаниях первого рода
(4.3)
Но реально при колебаниях первого рода составляет 35...40%,
так как и . Для мощных генераторов это очень низкий КПД. Поэтому в
радиоустройствах с большой выходной мощностью генераторы в режиме колебаний
первого рода не работают. Колебания первого рода используются в маломощных
усилителях и в тех случаях, когда низкий КПД не ухудшает энергетических
показателей устройства в целом.
Энергетические показатели
выходной цепи генератора при режиме работы колебаниями второго рода. Коэффициент полезного действия выходной цепи генератора при
колебаниях второго рода
. (4.4)
Подставив в это выражение значения и, получим
. (4.5)
Отношение амплитуды переменной составляющей напряжения к значению постоянной
составляющей называется коэффициентом
использования напряжения источника питания и обозначается буквой (кси). Этот
коэффициент показывает, какую часть напряжения источника питания составляет
выходное напряжение. В генераторах с независимым возбуждением значение коэффициента
выбирают в пределах
0,8...0,95. Тогда КПД
.
(4.6)
В качестве примера определим значения КПД при = 90° и при = 120°:
, .
Если принять = 1, то , . Сравнивая значение КПД при колебаниях второго рода со
значением его при колебаниях первого рода, замечаем, что КПД выходной цепи
генератора в режиме колебаний второго рода намного больше, чем в режиме
колебаний первого рода.
Высокий КПД – важное преимущество генератора, работающего
в режиме колебаний второго рода. Поэтому в мощных генераторах передающих
устройств используется режим колебаний второго рода.
Рассматривая зависимость , видим, что при колебаниях второго рода КПД можно
увеличить, уменьшив угол отсечки . Но при уменьшении , как видно из кривой зависимости , уменьшается мощность колебаний. Максимальная мощность
генератора будет при =120°. Но КПД при этом не будет максимальным, так как при =120° имеет большое значение. Выбирают угол отсечки таким,
чтобы на выходе генератора была достаточная мощность при высоком КПД, а – в пределах 60...90°.
Ключевой
режим работы транзисторного и лампового генератора с независимым возбуждением. Ключевой режим работы генератора
применяют для повышения КПД его выходной цепи.
Чтобы уяснить сущность процесса повышения
КПД, напомним некоторые моменты физического процесса преобразования энергии
источника постоянного тока в энергию тока высокой частоты. Выше было показано,
что перемещение энергии от источника питания в контур осуществляется
носителями электрических зарядов – электронами. Движущиеся в ускоряющем электрическом поле электроны отбирают
энергию от источника, а движущиеся в тормозящем поле, создаваемом напряжением
контура, отдают ему энергию. Так происходит процесс преобразования энергии. Но
в данном случае ставится задача выяснить эффективность процесса преобразования,
т. е. определить, какая часть энергии источника питания преобразуется в энергию
тока высокой частоты, иначе определить
КПД выходной цепи генератора. Для наглядности пояснения удобно
Литература: [6,
стр.41 – 47].
Лекция 5. Схемы питания генератора
Цель занятия:
1.
Питание выходных цепей
ГВВ.
2.
Питание входных цепей
ГВВ.
3.
Особенности схем питания
ГВВ в зависимости от рабочей частоты.
Выходная цепь генератора состоит из следующих трех
элементов: источника питания, усилительного прибора и нагрузки (колебательного
контура). Эти три элемента могут быть соединены между собой любым способом, но
так, чтобы образованная ими выходная цепь удовлетворяла следующим требованиям:
- переменная составляющая выходного тока должна проходить
через
нагрузку
(колебательный контур), выделяя в нем мощность;
- потери мощности, выделяемой переменной составляющей на других
элементах выходной цепи, должны быть по
возможности исключены;
- потери энергии радиочастоты в цепи
постоянного тока источника питания должны быть исключены;
- измерительные приборы должны быть
включены в участки цепи, имеющие нулевой потенциал, чтобы не увеличивать начальной
емкости контура и не создавать путей утечки высокочастотного тока.
Различают две схемы питания выходной цепи генератора: последовательную
и параллельную.
Рисунок 5.1 – Схемы питания
выходной цепи генератора
Емкость разделительного конденсатора СР выбирают такой, чтобы падение
напряжения на нем не превышало 5% падения напряжения на контуре. Это
достигается выполнением условия , где , откуда .
Сопротивление дросселя постоянному току r незначительно.
Учитывая все это, индуктивность дросселя высокой частоты
выбирают такой, чтобы через него ответвлялось не больше 0.01 переменной
составляющей выходного тока рабочей частоты. Чаще всего .
Схема параллельного питания выходной цепи имеет два преимущества:
- безопасность в эксплуатации, так как
на контуре нет высокого постоянного напряжения;
- уменьшение влияния руки оператора на
настройку контура, так как заземлен ротор конденсатора: при этом можно
объединить роторы конденсаторов нескольких каскадов передатчика на одной оси.
Входной цепью в транзисторном генераторе по схеме с общим
эмиттером является цепь база – эмиттер транзистора, в ламповом – цепь
управляющей сетки лампы.
Входная цепь состоит из трех элементов: источника
напряжения смещения, напряжения возбуждения и участка внутри усилительного
прибора. Таким участком в лампе является промежуток сетка – катод, а в транзисторе
– участок база – эмиттер. Напряжение смещения служит для установления
исходного положения рабочей точки на статической характеристике усилительного
прибора (). Напряжение возбуждения – для управления электронным
потоком с целью создания колебательной мощности.
Входные характеристики генераторных ламп и биполярных
транзисторов расположены веерообразно (рисунок 5.2, а,б). Для упрощения анализа и расчета входной цепи
генератора реальные входные характеристики заменяют идеализированными
прямолинейными (рисунок 5.2, в).
В генераторах с внешним возбуждением на электронных лампах
и полевых транзисторах напряжение смещения чаще всего отрицательное. В
генераторах на биполярных транзисторах напряжение смещения бывает или
открывающим, или равным нулю, поскольку характеристики этих приборов имеют
более правое расположение.
Если в цепи управляющего электрода
(сетки, базы) действует только постоянное напряжение смещения ЕС
, то во входной цепи ток не протекает. Для лампового генератора такое
состояние схемы, приведенной на рисунке 2.2, определяется положением исходной
рабочей точки А на рисунке 5.2, в: еС =ЕС , iC = 0. В транзисторном генераторе, схема
входной цепи которого приведена на
рисунке 2.4, полярность напряжения смещения и его значение зависят от требуемого
положения исходной рабочей точки, типа транзистора и режима работы. Оно может
быть запирающим, отпирающим и нулевым, поскольку характеристики транзистора
имеют правое расположение. На рисунке 5.2 в показано возможное положение исходных
рабочих точек А, В и
С соответственно.
В диапазоне СВЧ транзисторы обычно работают с нулевым
смещением на эмиттерном переходе, так как введение запирающего смещения
уменьшает усиление транзистора.
При включении напряжения возбуждения в цепи управляющего
электрода будет действовать результирующее напряжение
. (5.1)
В транзисторных генераторах на высоких частотах из-за инерционности
транзистора при переходе из состояния отсечки в активное и обратно импульсы
тока коллектора
iK и напряжения uЭ становятся несимметричными. Однако это незначительно
изменяет результаты расчета входной и выходной цепей генератора.
Литература: [6, стр.16 – 28, 50-55].
Лекция 6. Режимы работы генератора по напряженности
Цель занятия:
1.
Нагрузочные
характеристики ГВВ.
2.
Динамические
характеристики ГВВ.
3.
Недонапряженный,
критический и перенапряженный режимы.
Основной задачей генератора с внешним возбуждением является
создание возможно большей мощности колебаний на заданной частоте при достаточно
высоком КПД. Полезная колебательная мощность определяется
соотношением сопротивлений электронного прибора и нагрузки, а при выбранном
электронном приборе – только эквивалентным сопротивлением нагрузки, роль
которой выполняет колебательный контур. Изменение сопротивления вызывает изменение
токов, напряжений и мощностей в цепях электронного прибора, т. е изменение
режима работы генератора по напряженности. Зависимость какого-либо параметра
генератора от сопротивления нагрузки называют нагрузочной характеристикой
генератора. Основными параметрами генератора являются: колебательная мощность
, КПД (), подводимая мощность , анодные (коллекторные) токи и выходное напряжение..
Динамической характеристикой генератора называется зависимость мгновенных
значений тока в цепи любого электрода электронного прибора от напряжений на
всех электродах при одновременном изменении их и наличии сопротивления
нагрузки в выходной цепи. Динамические характеристики генератора строятся на
статических характеристиках электронного прибора.
Динамические характеристики генератора при различных
сопротивлениях нагрузки в выходной
цепи ее приведены на рисунке 6.1. При = 0 динамическая
характеристика представляет собой прямую линию, проходящую перпендикулярно оси
абсцисс через точку с координатами , .
При увеличении сопротивления нагрузки колебательная
мощность сначала возрастает,
достигая некоторого максимального значения , а затем уменьшается. Сопротивление нагрузки , при котором создаваемая генератором колебательная мощность
максимальна,
называется оптимальным и обозначается .
В зависимости от сопротивления нагрузки различают режимы
работы генератора по напряженности: оптимальный, недонапряженный и
перенапряженный.
Рисунок 6.2 – Нагрузочные характеристики ГВВ
Режим работы генератора при оптимальном значении сопротивления
нагрузки называется оптимальным, критическим или граничным. Динамическая
характеристика, соответствующая оптимальному режиму, пересекает статическую в
точке ее верхнего излома, т. е. в точке перехода от вертикального участка
характеристики к горизонтальному при заданном или выбранном максимальном
напряжении на управляющем электроде (точка Б на рисунке 6.1) или . Эта точка (Б) называется
точкой критического режима. На рисунке 6.1 видно, что при различных
значениях выбранного максимального значения на управляющем электроде () положение точки критического режима изменяется (Б, Б'). Геометрическое место точек критического режима называется
линией критического режима.
Поскольку динамическая характеристика – прямая линия, то
выходной (анодный или коллекторный) ток повторяет по форме напряжение
возбуждения. В оптимальном режиме импульс анодного тока синусоидальный с
немного притуплённой верхушкой за счет появления небольшого сеточного тока.
Режим работы генератора при сопротивлении, меньшем, чем
оптимальное, называется недонапряженным. В недонапряженном режиме
падение напряжения на нагрузке меньше, чем в оптимальном.
Характерными признаками недонапряженного режима являются:
- малое падение напряжения на нагрузке ;
- большое остаточное напряжение на
выходном электроде ;
- большой ток выходного электрода ( или ) и выделение большой мощности ( или ) на выходном электроде;
- малый ток управляющего электрода ( или ); недонагруженность управляющего электрода, отсюда и
название – недонапряженный режим;
- синусоидальный, остроконечный импульс
выходного тока;
- небольшие колебательная мощность и КПД выходной
цепи генератора, что ограничивает применение недонапряженного режима в каскадах
умножения частоты и при сеточной модуляции.
Режим работы генератора при сопротивлении нагрузки, большем
оптимального, называется перенапряженным. В транзисторных генераторах
он называется режимом насыщения. В этом режиме:
- большое падение напряжения на нагрузке, так как
большое ;
- малое остаточное напряжение на
выходном электроде (или );
- небольшой выходной ток ( или );
- большой ток управляющего электрода ( или ); управляющий электрод перегружен, отсюда и название режима
– перенапряженный.
В перенапряженном режиме происходит значительное перераспределение
тока выходного и управляющего электродов (катодного тока между сеткой и
анодом, эмиттерного – между базой и коллектором).
Пользуясь динамическими характеристиками, строят нагрузочные
характеристики, приведенные на рисунке 6.2. Рассматривая нагрузочную
характеристику колебательной мощности , видим, что значение колебательной мощности сначала возрастает,
достигая максимума, а затем уменьшается. Максимум колебательной мощности совпадает с переломом
в графиках зависимостей и . Режим, соответствующий максимуму полезной
колебательной мощности, называется граничным.
Из нагрузочной характеристики КПД видно, что максимального
значения КПД выходной цепи генератора достигает в слегка перенапряженном режиме.
Выходное напряжение в недонапряженном режиме
возрастает до области критического режима, так как увеличивается,
а уменьшается
незначительно. В перенапряженном режиме это произведение меняется в небольших
пределах, так как резкое уменьшение тока компенсируется
увеличением .
Нагрузочная характеристика подводимой мощности повторяет
форму кривой для , так как , а
значение напряжения питания
постоянное. Мощность, рассеиваемая на выходном электроде, с увеличением
уменьшается (рисунок
6.2).
Из анализа нагрузочных характеристик можно сделать следующие
выводы:
а) для получения максимальной мощности и достаточно
большого значения КПД оптимальным
является критический или слабо перенапряженный режим. Из графиков рисунка 6.2
для и видно, что максимумы точек
1 и 2 их не совпадают. Максимальная колебательная мощность создается
генератором в критическом режиме, но КПД при этом несколько ниже максимального;
б) в недонапряженном режиме небольшая и низкий , а тепловые потери на выходном электроде
электронного прибора большие, что может вызвать перегрев его и разрушение;
в) важным достоинством слабо
перенапряженного режима является незначительное изменение выходного напряжения
при изменении сопротивления нагрузки;
г) в сильно перенапряженном режиме
значения основных энергетических показателей генератора ( и ) небольшие, а потери на управляющем электроде сильно
возрастают. В лампе это приводит к перегреву сетки и разрушению ее. Для
транзистора перенапряженный режим менее опасен.
Литература: [6, стр.58 – 64].
Лекция 7. Сложение мощностей генераторов
Цель занятия:
1.
Необходимость сложения
мощностей.
2.
Требования к схемам
сложения.
3. Различные способы сложения мощностей.
4.
Влияние частотного
диапазона на способы сложения мощностей.
Требуемая мощность передатчика во многих случаях не может
быть обеспечена одной лампой или транзистором. А параллельное и
двухтактное включение усилительных
приборов (ламп, транзисторов) имеет ряд
недостатков. Основные из них следующие:
- отказ одного из усилительных приборов может вызвать выход
из строя
остальных
приборов. При отказе одного напряжение на нагрузке уменьшается вдвое, что
эквивалентно уменьшению вдвое сопротивления нагрузки для оставшегося целым
усилительного прибора. Генератор переходит из граничного режима в
недонапряженный. Мощность, рассеиваемая на выходном электроде, повысится; он
может перегреться и перегореть;
- низкая устойчивость к паразитным генерациям
из-за увеличения числа
паразитных реактивностей и усложнения схемы;
- неравномерность распределения токов
усилительных приборов из-за разброса их
параметров усугубляется связью через общую нагрузку. При разбросе
параметров ламп одна из них (с меньшим сопротивлением) будет работать в
режиме потребления мощности, а другая – в режиме генерации.
Все это приводит к резкому снижению надежности передатчика.
Поэтому получение большой мощности достигается методом сложения
(суммирования) мощностей отдельных сравнительно маломощных генераторов. Различают
три метода сложения мощностей:
- сложение мощностей нескольких блоков в
общем контуре;
- сложение высокочастотных полей в пространстве;
- сложение мощностей с помощью мостовых схем.
Схемы сложения мощностей должны удовлетворять следующим
требованиям:
- каждый генератор должен быть
согласован с нагрузкой так, чтобы он отдавал в нагрузку номинальную мощность ;
- общая мощность, выделяемая в
нагрузке, должна быть равна сумме номинальных мощностей отдельных генераторов ;
- входы суммирующего устройства должны
быть взаимно независимыми;
- при появлении неисправности в одном
генераторе мощность в нагрузке не должна уменьшаться больше чем на величину мощности
одного генератора.
Имеется еще ряд дополнительных требований, например компактность
суммирующего устройства, удобство подключения генераторов к нему и др.
Сложение
мощностей в общем контуре. В этом случае оконечный каскад передатчика выполняется в
виде нескольких однотипных блоков, возбуждаемых синфазно от одного общего возбудителя.
В этих схемах необходимо обеспечить синфазность напряжений возбуждения
выходных каскадов блоков, которые иначе будут работать как бы на расстроенную
нагрузку.
Схема передатчика, в котором сложение мощностей производится
в общем контуре, приведена на рисунке 7.1. Достоинство этой схемы – возможность
включения и выключения отдельных блоков без перерыва работы всего передатчика, недостаток
схемы – взаимная связь между блоками через общий контур нагрузки, что сильно
усложняет настройку передатчика, особенно на КВ. Поэтому схему применяют в
мощных передатчиках ДВ и СВ, в которых не требуется быстрая смена волны.
Рисунок 7.1 – Схема сложения мощностей в одном контуре
Сложение мощностей в пространстве. Метод сложения мощностей в пространстве
используют в тех случаях, когда требуется увеличить напряженность
электромагнитного поля, создаваемого антенной передатчика в заданном
направлении. Сущность метода в том, что несколько автономных передатчиков
работают на одной частоте от одного общего возбудителя. Каждый передатчик имеет
свою отдельную антенну направленного действия. Для примера на рисунке 7.2
показана схема сложения мощностей двух передатчиков. Для ослабления связи между выходными каскадами
передатчиков их антенны располагают на расстоянии . Антенны питаются синфазными токами. В пространстве
формируется общая диаграмма направленности, так что в месте приема происходит
сложение электромагнитных полей, создаваемых антеннами, и результирующая
напряженность поля соответствует суммарной мощности отдельных передатчиков.
Если же токи, питающие антенны, сдвинуть по фазе, то результирующая диаграмма
направленности изменит свое положение. Это используется для быстрого поворота
диаграммы направленности (излучения) электрическим способом.
Рисунок 7.2 – Схема сложения мощностей в пространстве
Совокупность отдельных симметричных полуволновых вибраторов
называют фазированной антенной решеткой. Комбинированием числа
вибраторов в вертикальном и горизонтальном рядах можно сформировать требуемую
диаграмму направленности. Таким образом, обеспечивается возможность электронного
управления направлением излучения в вертикальной и горизонтальной плоскостях
без механического перемещения решетки вибраторов.
Сложение мощностей с помощью
мостовых схем. Идеальная
схема сумматора должна удовлетворять следующим требованиям:
- сложение мощностей. Общая мощность , выделяемая в нагрузке всеми генераторами, должна быть равна
сумме мощностей отдельных генераторов. Для достижения этого необходимо
согласовать выход каждого генератора с нагрузкой так, чтобы он отдавал в
нагрузку номинальную мощность;
- независимость входов. Означает, что
выходы генераторов или входы сумматора должны быть взаимно развязаны. Это необходимо
для того, чтобы изменения режима одного из генераторов не влияли на работу
других генераторов;
- уменьшение мощности. При
неисправности одного генератора общая мощность в нагрузке должна уменьшиться
только на величину мощности одного генератора;
- широкополосность. Сумматоры должны
пропускать заданную полосу частот. Их применяют как в узкополосных, так и в широкополосных
передатчиках. В последнем случае для расширения полосы пропускания часто
используют широкополосные трансформаторы;
- обратимость сумматоров. Сумматоры
являются взаимообратимыми устройствами.
Они могут осуществлять как суммирование, так и деление мощностей. Для
использования сумматора в качестве делителя нужно генератор и нагрузку поменять
местами. Деление мощности бывает необходимо для возбуждения нескольких
последующих генераторов.
Мостовым устройством называется многополюсник, с помощью
которого обеспечивается совместная взаимонезависимая работа нескольких
отдельных генераторов радиочастотных колебаний на одну общую нагрузку.
Схемы мостовых устройств классифицируются по следующим
показателям:
- фазовым соотношениям суммируемых сигналов на синфазные, противофазные и квадратурные;
- частотным свойствам
на узкополосные () и широкополосные;
- элементной базе устройства
на R–, L–, C элементах, трансформаторные и др.;
- способу сложения по току или напряжению.
Принцип работы мостовой схемы сложения мощностей двух
генераторов Г1 и Г2 рассмотрим на примере
обычного четырехплечего квадратного моста Уитстона, схема которого приведена на
рисунке 7.3. Мост состоит из двух активных сопротивлений ( и ) и двух реактивных (X1 и Х2).
При равенстве произведений сопротивлений противоположных плеч мост
будет сбалансирован и генераторы Г1 и
Г2, подключенные к разным его диагоналям,
не будут влиять один на другой. Если напряжения генераторов действуют, как показано рисунке
7.3, то токи в плечах моста будут протекать в направлениях, указанных на
рисунке стрелками. При равенстве амплитуд и синфазности напряжений генераторов Г1 и
Г2 токи в нагрузке будут складываться, а
на балластном сопротивлении – вычитаться. Если в
реактивных сопротивлениях X1 и Х2
потерь нет, то при равенстве амплитуд и фаз токов в нагрузке вся суммарная
мощность обоих генераторов
полностью выделяется в нагрузке . При неисправности одного из генераторов мощность другого
делится пополам между сопротивлениями нагрузки и балластным . Поэтому выход из строя одного генератора приводит к
уменьшению мощности в нагрузке в 4 раза.
Рисунок
7.3 – Мостовая схема сложения мощностей
Схема Т-образного моста с сосредоточенными параметрами
приведена на рисунке 7.4. Мост составлен из параллельного колебательного
контура LС1С2, нагрузки и балластного
резистора . Контур, настроенный на рабочую частоту, обладает сопротивлением
. При синфазной работе обоих генераторов токи в нагрузке и складываются,
а в балласте и направлены встречно.
При полной симметрии схемы взаимное влияние генераторов исключается, но мост
имеет узкую полосу пропускания. Этот недостаток устраняется в схемах на широкополосных
трансформаторах (рисунок 7.5). Мощности
генераторов Г1 и Г2 суммируются на
сопротивлении нагрузки . Взаимная развязка генераторов обеспечивается
балластным резистором . При соответствующем выборе элементов схемы нагрузка и режим
одного из генераторов не зависят от состояния другого.
Рисунок 7.4 – Схема сложения мощностей Рисунок 7.5 – Схема сложения
мощностей
на широкополосном
трансформаторе
Квадратурные мосты применяют в диапазоне метровых и более
коротких волн. В них равноамплитудные колебания генераторов взаимно сдвинуты
по фазе на . Этот начальный сдвиг создается в фазовращателе ФВ (рисунок
7.6). Четыре отрезка четвертьволновых линий образуют кольцо. При этом к
нагрузке токи
генераторов подходят синфазно и суммируются, а к балластному резистору – противофазно и
вычитаются.
Рисунок
7.6 – Квадратурный мост сложения мощностей
Квадратурные мосты применяют в тех случаях, когда
необходимо устранить в нагрузке явление фидерного «эха», возникающего при
неточном согласовании фидера и антенны.
В квадратурном мостовом устройстве появившийся в сумматоре
отраженный сигнал поступает на выходы генераторов и, отразившись, вторично
попадает в нагрузку и балластный резистор. В нагрузке отраженные сигналы
противофазны, взаимно компенсируются и антенной не излучаются. В балластном
сопротивлении отраженные сигналы синфазны, они суммируются.
Литература: [6, стр.176 – 198].
Лекция 8. Выходные каскады передатчиков
Цель занятия:
1.
Требования,
предъявляемые к выходным каскадам передатчика.
2.
Простая схема выходного
каскада.
3. Сложная
схема выходного каскада.
4. Выходные
фильтрующие системы.
5. Схемная
реализация выходного каскада.
Выходным каскадом передатчика называется оконечный каскад
его, работающий на антенну, т. е. каскад, отдающий мощность радиочастотных
колебаний в антенну непосредственно или через фидер.
Выходной каскад передатчика должен удовлетворять следующим
основным требованиям: создавать необходимую мощность передатчика в антенне
(фидере), осуществлять фильтрацию высших гармонических составляющих и
согласовывать выходное сопротивление генератора с входным сопротивлением
нагрузки.
Выходной каскад является наиболее мощным каскадом передатчика.
Он потребляет большую часть энергии источников питания. Поэтому качество его
работы определяет основную характеристику радиопередающего устройства –
промышленный КПД.
Для передачи информации каждому каналу связи отводится
определенная полоса излучаемых частот. Все колебания, выходящие за пределы этой
полосы, являются побочными. К внеполосным излучениям
относятся колебания высших
гармоник составляющих выходного
тока, а также паразитные колебания, возникающие при самовозбуждении ГВВ. Допустимые значения мощности побочных излучений приведены в
таблице 8.1.
Таблица 8.1
Диапазон частот, МГц |
Мощность на основных
частотах Р, кВт |
Допустимая мощность
побочных излучений |
|
абсолютная , мВт |
относительная 10lg(/р), дБ |
||
< 30 |
< 0.5; 0.5…50 50 |
< 50 |
< -40 < -60 |
30…235 |
<0.025; 0.025…1 > 1 |
< 0.025 < 1 |
< -40 < -60 |
235…470 |
< 0.025 |
< 0.025 |
|
235…960 |
0.025…20 > 20 |
< 20 |
< -60 |
Основной причиной появления побочных колебаний является
работа электронного прибора в режиме колебаний второго рода. Наиболее
интенсивные колебания второй и третьей гармоник. Подавление четных гармоник, в
том числе и второй, осуществляется применением двухтактной схемы. Но
вследствие естественной асимметрии схемы нельзя добиться полного подавления
второй гармоники и в двухтактной схеме. Для подавления нечетных гармоник, в том
числе и третьей, угол отсечки выходного тона выбирают .
Основное ослабление высших гармоник обеспечивается колебательной
системой выходной цепи каскада. Нагрузка выходного каскада – антенна –
включается в его выходную цепь непосредственно или через промежуточный контур.
В зависимости от способа включения антенны в выходную цепь генератора
различают схемы выхода: простую и сложную.
Простой схемой выходного каскада передатчика называется схема, в которой
антенна включается непосредственно в анодную (коллекторную) цепь выходного
каскада, как показано на рисунке 8.1. В этой схеме выходной контур образован
индуктивностями катушки связи LCB и катушки настройки LK (вариометр) и параметрами антенны RА и ХA, т.е. антенный контур является выходным.
Простая схема – одноконтурная. Настройка контура на рабочую частоту осуществляется
вариометром LН. Подбор оптимального сопротивления нагрузки
выходной цепи электронного прибора RЭ.ОПТ осуществляется подбором коэффициента включения рL путем переключения числа витков катушки
связи LCB.
Рисунок 8.1 – Простая схема выходного каскада передатчика
Достоинства простой схемы:
- хороший КПД, так как нет потерь
энергии на промежуточных элементах;
- простота конструкции.
Недостатки простой схемы:
- низкая фильтрация высших гармоник, не
обеспечивающая заданных норм;
- при обрыве антенны оставшиеся
элементы не обеспечивают оптимальное сопротивление нагрузки, и вся подводимая
мощность рассеивается на аноде лампы или коллекторе транзистора, что приводит к
их перегреву и выходу из строя.
Поэтому простая схема выходного каскада может быть
использована лишь в маломощных передатчиках массовой радиосвязи с малыми
габаритными размерами, экономичность и простота управления которых являются
решающими требованиями.
Сложной схемой выходного каскада передатчика называется схема, в которой
антенна подключается к выходной цепи оконечного каскада не непосредственно, а
через промежуточный контур. Кроме того, могут быть добавлены фильтры. На рисунке 8.2 приведена
схема выходного каскада с автотрансформаторной связью промежуточного и
антенного контуров.
Рисунок 8.2 – Сложная схема выходного каскада с
автотрансформаторной связью промежуточного и антенного контуров
Схема выходного каскада на транзисторе, включенном с общим
эмиттером, приведена на рисунке 8.3.
Рисунок 8.3 – Схема выходного каскада на транзисторе
Достоинства сложной схемы:
- лучшая, чем в простой схеме, фильтрация высших гармоник;
- более точная и более широкая
регулировка значений сопротивления нагрузки в выходной цепи генератора, так как она выполняется двумя
способами: изменением связи промежуточного контура с антенной и коэффициента
включения контура в выходную, цепь генератора (анодную, коллекторную);
- удобство в эксплуатации: настройка
контура в резонанс и регулировка связи мало зависят одно от другого.
Недостатки сложной схемы:
- КПД выходной цепи ниже из-за потерь
энергии на промежуточном контуре и других элементах связи;
- сложнее конструкция колебательной
системы, больше ее габаритные размеры и масса;
- сложнее настройка из-за большого
числа регулируемых элементов.
В тех случаях, когда двухконтурная схема не обеспечивает
заданной фильтрации, применяются дополнительные фильтрующие системы,
представляющие собой фильтры низкой или высокой частоты, а также их сочетание.
Часто применяют П-образные контуры, так как они обладают лучшей фильтрацией
высших гармоник. П-образный контур, показанный на рисунке 8.4 а, обеспечивает в 4 раза
лучшую фильтрацию, чем параллельный одиночный при той же добротности.
При более высоких требованиях к фильтрации
применяют сдвоенный П-образный контур
(рисунок 8.4 б).
Рисунок 8.4 – Схема П-образного
контура: а – простой; б - сдвоенный
В узкодиапазонных передатчиках, работающих
на фиксированных частотах, для повышения фильтрации высших гармоник в выходную
цепь включают дополнительные контуры – фильтр-пробки и фильтр-дырки,
настроенные точно на частоту п-й
гармоники. Схема фильтрующей системы, состоящей из параллельных
колебательных контуров, настроенных на вторую 2f, третью 3f и четвертую 4f гармоники,
приведена на рисунке 8.5. Для токов высших гармоник сопротивления контуров
велики, и они не попадают в антенну. Для токов основной рабочей частоты сопротивления
контуров малы, и они с незначительным ослаблением попадают в антенну.
Рисунок 8.5 – Схема фильтрующей системы
Рисунок 8.6 – Принципиальная схема выходного каскада передатчика
Panasonic KX-T9080BX
Выходной каскад передатчика базового блока радиотелефона Panasonic KX-T9080BX выполнен на транзисторах Q311-Q313, которыми управляет интегральный синтезатор частоты. Выходная
фильтрующая система представляет собой диплексор F306, разделяющий спектры частот приема и
передачи. Модулирующий сигнал через ограничивающий потенциометр VR303 подается на варикап D305 частотно-модулируемого автогенератора,
собранного на транзисторе Q309. Туда же с вывода 9 микросхемы заводится управляющее
напряжение смещения варикапа от фазового детектора, включенного в цепь фазового
синтезатора. Такие схемы стабилизации частоты применяются во многих моделях
радиотелефонов, работающих в диапазоне 800 – 900 МГц. В качестве синтезатора
частоты могут использоваться программируемые микроконтроллеры типа РIC16XX или их аналоги.
Литература: [6,
стр.199 – 221].
Лекция 9. Умножители
частоты колебаний
Цель занятия:
1.
Назначение умножителей
частоты.
2. Принцип
получения режима умножения частоты.
3.
Принципиальные схемы транзисторных умножителей частоты.
4. Определение выбора угла отсечки при различных
коэффициентах умножения.
5. Умножители
частоты на варикапах.
Назначение. Промежуточный усилитель, частота колебаний на выходе которого
больше частоты колебаний на входе в целое число раз (чаще всего в 2 или 3
раза) fBЫХ = nfВХ, где п –
кратность умножения, называется умножителем
частоты.
Использование умножителей частоты в передатчиках позволяет:
- понизить частоту
задающего генератора при сохранении более высокой частоты на выходе передатчика,
а следовательно, применить кварцевую стабилизацию частоты в коротковолновых и
ультракоротковолновых передатчиках, что позволяет получить стабилизированные
кварцем колебания до тысяч мегагерц;
- расширить в п раз
диапазон волн передатчика, не расширяя диапазон волн задающего генератора;
- повысить
устойчивость работы передатчика;
- повысить
стабильность частоты возбудителя;
- увеличить
девиацию частоты или фазы при частотной или фазовой модуляции;
- сформировать множество стабилизированных кварцем частот в синтезаторах частоты возбудителей
широкополосных передатчиков.
Умножитель частоты должен состоять из нелинейного преобразователя
входного гармонического колебания и фильтра, выделяющего требуемую гармонику.
Функциональная схема умножителя частоты представлена на рисунке 9.1. Здесь Z1 и Z2 – цепи фильтрации и
согласования, а УЭ – усилительный элемент, обладающий нелинейными
свойствами.
Рисунок 9.1 – Функциональная схема умножителя частоты
В качестве нелинейного элемента используют электронные
лампы, транзисторы и диоды. Ламповые и транзисторные умножители усиливают
колебания, диодные – не усиливают.
Схемы.
Принципиальная схема генератора-умножителя частоты по своему построению не
отличается от схемы генератора-усилителя. Различие только в том, что выходной
контур умножителя настраивается не на основную (первую) гармонику выходного
тока, а на вторую, третью и т. д. В этом случае в выходном контуре наибольшую
мощность будут иметь колебания с частотой, на которую он настроен.
Принципиальная схема транзисторного умножителя
частоты приведена на рисунке 9.2. На вход схемы подается
колебание с частотой . Базовым
делителем напряжения транзистор
устанавливается в режим класса АВ, В или С. В один из полупериодов входного
напряжения транзистор открывается, и в
цепи коллектора ток протекает в виде периодической последовательности
импульсов. Избирательной коллекторной нагрузкой является двухконтурный полосовой фильтр с внешнеемкостной связью , настроенный на вторую или третью гармонику входного напряжения.
На выходе схемы создается напряжение с удвоенной или утроенной частотой.
Рисунок 9.2 – Принципиальная схема транзисторного
умножителя частоты
Схема транзисторного умножителя частоты на П-образных
фильтрах приведена на рисунке 9.3. На входе умножителя фильтр настроен на
частоту первой гармоники. А фильтр – на частоту второй
или третьей гармоники.
Рисунок 9.3 – Схема транзисторного умножителя частоты на
П-образных фильтрах
Допустим, что умножитель работает на такой достаточно низкой
частоте, на которой инерционными свойствами транзистора можно пренебречь и
считать, что импульс коллекторного тока имеет форму отрезка косинусоиды. При
этом мощность n-й гармоники в коллекторной цепи будет
, (9.1)
где – амплитуда n-й гармоники коллекторного тока;
- амплитуда
напряжения на коллекторе;
- коэффициент разложения
импульса для n-й гармоники.
Значение изменяется с
изменением угла отсечки . Максимальное значение колебательной мощности будет при наибольшем
значении . Следовательно, угол отсечки нужно выбирать
соответствующим максимальному значению . Наивыгоднейшее значение угла отсечки . Так, для удвоителя наивыгоднейшим следует считать угол
отсечки , для утроителя . Уменьшение угла отсечки ниже наивыгоднейшего значения
несколько повышает КПД, но уменьшает генерируемую мощность и поэтому
нежелательно. Наоборот, угол отсечки выходного тока в умножителях несколько
повышают: – до 70°, – до 50°.
Мощность,
потребляемая коллекторной цепью
транзистора
. (9.2)
Коэффициент полезного действия выходной цепи умножителя
. (9.3)
При g=1.26 и практически не зависит от n. Поэтому КПД
умножителя при оптимальном значении угла отсечки . Следовательно, КПД умножителя даже при оптимальном угле
отсечки ниже чем у усилителя на том же транзисторе.
Таким образом, из-за низких энергетических показателей умножение частоты применяется в маломощных
промежуточных каскадах передатчика и их энергетические показатели практически
не влияют на энергетические показатели всего радиопередающего устройства.
На рисунке 9.4 приведена схема широкодиапазонного двухтактного
удвоителя частоты. Напряжение возбуждения подается в противофазе, и они
работают в классе В с углом отсечки . При в составе спектра
выходного тока нечетных гармоник нет. Есть только постоянная составляющая,
первая гармоника и все четные. Постоянная составляющая в нагрузку не поступает.
Первая гармоника подавляется включением нагрузки в общий провод питания
генератора. Амплитуды четных гармоник при можно ослабить с помощью
фильтра нижних частот.
Рисунок 9.4 – Схема широкодиапазонного двухтактного
удвоителя частоты
Умножители
частоты на варикапах и варакторах. Варикапом называют полупроводниковый диод, емкость которого
изменяется с изменением величины приложенного к нему напряжения (variren – менять, capazitat – емкость). Емкость р-п-перехода складывается из барьерной
емкости СБ и диффузионной СД. При закрытом переходе
основной является барьерная емкость, при открытом – диффузионная. Варикапами называют маломощные диоды с
нелинейной емкостью, а варакторами – мощные.
Рисунок 9.5 – Вольт-фарадная характеристика варикапа
Применение варакторных умножителей частоты в радиопередающих
устройствах ультракоротких волн обеспечивает возможность применения
транзисторов в этом диапазоне. Современные транзисторные генераторы работают на
частотах до 10 ГГц. После задающего генератора ставят несколько транзисторных
усилителей, которые увеличивают мощность колебаний до значения, несколько
превышающего заданную мощность в антенне. А затем включаются варакторные
умножители, которые повышают частоту до рабочего значения. Но КПД передатчика
при этом понижается. Но потери оправдываются получением высоких частот, которых
использованием только транзисторов получить нельзя.
Варикап (или варактор) в умножителе частоты можно включать по
параллельной (рисунок 9.6, а) или по последовательной (рисунок 9.6, б) схеме.
Входной контур умножителя настраивают на первую гармонику тока, а выходной L2C2 – на п-ю.
Практическая схема умножителя имеет дополнительные цепи: питания,
фильтрации, настройки, согласования (рисунок 9.7).
Рисунок 9.6 – Схема включения варикапа
Рисунок 9.7 – Схема варакторного утроителя
При увеличении коэффициента умножения п
уменьшается мощность и КПД. Увеличить КПД и выходную мощность умножителя
при оказывается возможным
путем применения активных электронных приборов, работающих в классе Д.
Литература: [6, стр.110 – 124]
Лекция 10. Автогенераторы
Цель занятия:
1.
Принцип получения колебаний радиочастоты.
2.
Условия самовозбуждения.
3.
Трехточечные
схемы автогенераторов.
Принцип получения колебаний
радиочастоты. В качестве первоисточника электрических
колебаний радиочастоты используют колебательный контур из индуктивности L и емкости С. Известно, что если в контур LC ввести извне некоторое количество энергии,
то в контуре возникнут свободные затухающие электрические колебания. Чтобы
колебания в контуре стали незатухающими, необходимо пополнять потери энергии в
контуре от источника питания.
Электронное устройство, преобразующее энергию постоянного тока в
энергию электромагнитных колебаний радиочастоты, называется автогенератором..
Рисунок 10.1 – Структурная схема автогенератора
В радиопередающих устройствах автогенераторы «задают»
частоту первоначальных колебаний и выполняют роль задающих генераторов.
Основными требованиями, предъявляемыми к автогенераторам
радиопередающих устройств, являются обеспечение заданного значения номинала и
стабильности частоты генерируемых колебаний.
Обычно выходная мощность транзисторных автогенераторов
составляет несколько милливатт – единицы ватт в зависимости от назначения.
Условия самовозбуждения. Для устойчивой работы автогенератора
необходимо выполнение двух условий: баланса фаз и баланса амплитуд.
Баланс амплитуд – это условие поступления
количества энергии от источника питания в
контур, необходимой для восполнения всех потерь в контуре и поддержания
колебаний незатухающими.
Баланс фаз – это условие
своевременной подачи энергии в контур, то есть сумма фазовых сдвигов
колебаний по цепям прямой передачи (усиления) и обратной связи должна быть
равна или кратна 360°..
Уравнение устойчивого
самовозбуждения.
Допустим, что в начале рассматриваемого цикла колебаний на контуре действует
переменное напряжение . При этом по цепи обратной связи на сетку подается напряжение,
определяемое коэффициентом обратной связи . Под действием этого напряжения в анодной цепи протекает
ток
.
(10.1)
Эти выражения написаны в комплексной форме для учета сдвига
по фазе между анодным током и напряжением на аноде . Появляется сдвиг потому, что в общем
случае частота генерируемых колебаний ω
может несколько отличаться от собственной частоты контура ω0. В результате появится фазовый сдвиг между
анодным током и напряжением на контуре и эквивалентное
сопротивление контура будет иметь, кроме активной rЭ, еще и реактивную составляющую
.
(10.2)
Для упрощения анализа и расчета автогенератора было введено
понятие о средней крутизне
, (11.3)
где S – мгновенное значение крутизны
характеристики.
Анодный ток , проходя по контуру, создает на
нем напряжение
. (10.4)
В установившемся режиме должно выполняться равенство . Тогда . Обычно значение D очень мало и им можно пренебрегать. Тогда
можно записать
.
(10.5)
Известно, что
комплексные числа равны, если равны порознь их модули и аргументы. Тогда произведение
модулей .
Это уравнение получено немецким ученым Баркгаузеном и
называется основным уравнением стационарного режима автогенератора.
В транзисторных автогенераторах условия самовозбуждения
имеют некоторые особенности. Внешний коэффициент обратной связи определяется
отношением амплитуды напряжения возбуждения на внешних зажимах «эмиттер – база» UБ к амплитуде колебательного напряжения на
коллекторном контуре UK, т.е.
. (10.6)
Внутренний коэффициент обратной связи определяется отношением
амплитуды напряжения возбуждения на внутреннем переходе «эмиттер – база» UЭБ к амплитуде напряжения на контуре, т.е. . Условие баланса амплитуд при этом . Но , где – коэффициент передачи
напряжения в цепи «база – эмиттер». Тогда
основное уравнение самовозбуждения
принимает вид
.
(10.7)
Общее правило построения
трехточечных схем автогенераторов. В индуктивной трехточечной схеме (рисунок 10.2,
а) элементы контура подключены к транзистору в следующем порядке. Конденсатор С2
подключен между коллектором и базой транзистора. Конденсатор С1 является
разделительным. Катушка L1 подключена
по высокой частоте между базой и эмиттером: к базе через тот же конденсатор С1,
а к эмиттеру через блокировочные конденсаторы С5 и СЗ.
Катушка L2 подключена
между коллектором и эмиттером транзистора через те же конденсаторы С5 и СЗ.
В результате получим эквивалентную схему, приведенную на рисунке 10.3, а.
Схема автогенератора по емкостной трехточке показана
на рисунке 10.3, б.
Рисунок 10.2 – Трехточечные схемы автогенераторов
Рисунок 10.3 – Эквивалентные схемы автогенераторов
Сравнив эквивалентные схемы автогенераторов по индуктивной
и емкостной трехточечным схемам, можно установить общее правило
построения трехточечных схем: реактивные
сопротивления между эмиттером и базой ХЭБ и эмиттером и
коллектором ХЭК должны быть одинакового знака, а реактивность
«база – коллектор» ХБК должна быть противоположного знака.
Такой порядок подключения реактивностей колебательной
системы к транзистору необходим для
выполнения баланса фаз. Значения реактивных сопротивлений контура должны быть подобраны так,
чтобы в контуре были колебания с
частотой
. (10.8)
Для этого должно быть выполнено условие , т. е. реактивное
сопротивление емкостной ветви должно быть равно реактивному
сопротивлению индуктивной ветви. Для индуктивной трехточки
,
для емкостной . (10.9)
Литература: [6, стр.222 – 225].
Лекция 11. Режимы самовозбуждения автогенераторов
Цель занятия:
1.
Колебательные
характеристики автогенератора.
2.
Мягкий режим
самовозбуждения.
3. Жесткий режим самовозбуждения.
Режимы
самовозбуждения. Колебательной характеристикой называется зависимость амплитуды первой гармоники коллекторного тока от амплитуды управляющего
напряжения на базе транзистора . Вид колебательной характеристики зависит от положения рабочей
точки на проходной характеристике транзистора .
При работе транзистора в режиме колебаний первого рода, т. е.
когда рабочая точка А выбрана на середине линейного участка проходной
характеристики, колебательная характеристика имеет выпуклую форму (рисунок 11.1,
б, I). Если рабочая точка
на переходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного
тока В (режим колебаний второго рода), то колебательная характеристика
начинается несколько правее нуля. Затем по мере увеличения входного
(управляющего) напряжения колебательная характеристика имеет нижний изгиб,
соответствующий нелинейному нижнему участку проходной характеристики, и
соответственно верхний изгиб (рисунок 11.1, б, II).
Линией обратной связи называется графически выраженная
зависимость напряжения обратной связи от тока в выходной цепи транзистора.
Поскольку цепь обратной связи линейна, то линия обратной связи представляет
собой прямую линию, восходящую из
начала координат (рисунок 11.1, в).
Рисунок 11.1 – Колебательные характеристики и линии
обратной связи
Мягкий режим самовозбуждения. На рисунке 11.2.а амплитудная колебательная характеристика
генераторов в режиме колебаний первого рода
(кривая линия) и амплитудная
характеристика обратной связи автогенератора (прямая линия) совмещены на одном
графике. Допустим, что в контуре за
счет флуктуации появился ток. Этот ток
по цепи обратной связи создает на входе
напряжение возбуждения UI. Это
напряжение в соответствии с колебательной характеристикой вызывает в выходной цепи ток III. При токе III на входную цепь автогенератора в соответствии с линией обратной связи наводится
напряжение UII, которое вызывает ток IIII и т. д. Последовательность нарастания
колебаний показана на рисунке 11.2, а стрелками.
Рисунок 11.2 –
Графики токов и напряжений в мягком (а) и жестком (б) режимах самовозбуждения
Так, колебания в контуре будут
нарастать до значения, определяемого точкой
пересечения колебательной характеристики и линии обратной связи (В).
Точка В соответствует режиму установившихся колебаний: в выходной цепи
протекает ток IУСТ,
на участке «база – эмиттер» создается напряжение UУСТ.
В точке В выполняется баланс амплитуд, и в автогенераторе
устанавливаются устойчивые колебания.
Таким образом, в режиме колебаний первого рода колебания в
автогенераторе возникают после включения источника питания самостоятельно и
нарастают до установившегося значения плавно, мягко. Поэтому такой режим колебаний
называют мягким режимом самовозбуждения.
Жесткий
режим самовозбуждения. Если рабочая точка на проходной характеристике транзистора выбрана
в области отсечки выходного тока, колебательная характеристика пересекается с
линией обратной связи в двух точках, как показано на рисунке 11.2, б. В
области I кривая проходит под прямой – это значит, как было
показано выше, что потери в контуре превышают пополнения энергии, и колебания
не возникают. В области II кривая проходит над прямой – это значит, что потери в
контуре меньше, чем пополнения, и колебания могут зарастать. Из этого видно,
что в режиме колебаний второго рода колебания автоматически от флуктуаций
возникнуть не могут (участок а–1 на рисунке
11.2, б). Для возникновения колебаний в автогенераторе в режиме колебаний
второго рода необходимо во входную цепь транзистора подать напряжение
значительной амплитуды . Только после этого резкого, жесткого внешнего толчка
напряжения колебания возникают и быстро нарастают. Отсюда и режим самовозбуждения
называется жестким. Колебания нарастают до установившегося значения,
соответствующего точке В устойчивых колебаний.
Литература: [6, стр.225 – 232]
Лекция 12. Причины нестабильности частоты и параметрические
способы
ее стабилизации
Цель занятия:
1.
Причины,
вызывающие нестабильность генерируемой частоты.
2.
Параметрические способы
стабилизации частоты.
Стабильность частоты передатчика определяется в основном стабильностью
частоты задающего генератора, т. е. автогенератора. А частота колебаний
автогенератора зависит от двух факторов: собственной частоты эквивалентного
колебательного контура и его добротности; фазового сдвига между первой
гармоникой выходного тока транзистора и напряжением контура.
Эквивалентный колебательный контур автогенератора (рисунок 12.1, а)
состоит из собственных параметров L и С и вносимых комплексных
сопротивлений от усилительного прибора и цепи нагрузки. Комплексное
сопротивление, вносимое в контур от усилительного прибора, состоит из выходного
сопротивления усилительного прибора, образованного емкостью СВЫХ и внутренним сопротивлением
Ri, и комплексного сопротивления ZВХ=R+jXВХ, обеспечивающего условия самовозбуждения в автогенераторе. Цепь нагрузки
характеризуется входными параметрами СВХ и RВХ каскада, нагружающего автогенератор. Значения всех перечисленных
вносимых параметров зависят от режима работы усилительного прибора. Учитывая
сказанное, упрощенная схема эквивалентного контура автогенератора принимает
вид, показанный на рисунке 12.1, б.
Рисунок
12.1 – Эквивалентная схема контура автогенератора
Собственная частота контура в общем случае
определяется по формуле
, (12.1)
где – индуктивность и емкость
эквивалентного контура,
Q – добротность контура.
Из этой формулы видно, что собственная частота контура
будет изменяться под действием любого дестабилизирующего фактора, вызывающего
изменение параметров контура.
Другая причина нестабильности частоты – изменение фазового сдвига – возникает при нарушении баланса фаз.
Под действием дестабилизирующих
факторов параметры эквивалентного контура автогенератора изменяются во времени,
вызывая изменение его резонансной частоты, а следовательно, и частоты колебаний автогенератора. Рассмотрим
основные дестабилизирующие факторы.
Изменение температуры окружающей среды вызывает изменение геометрических
размеров деталей контура и диэлектрической проницаемости изоляционных материалов
и диэлектриков. Например, при повышении температуры увеличивается длина провода
и размеры каркаса катушки, в результате чего индуктивность ее увеличивается.
Пластины конденсатора расширяются, площадь их увеличивается, а следовательно,
изменяется и емкость. Диэлектрическая проницаемость диэлектриков с изменением
температуры также изменяется. Это видно из формул для определения
индуктивности катушки и емкости конденсатора
(12.2)
где D – диаметр катушки;
l – длина ее;
n – число витков;
s – площадь пластин;
т – число пластин;
d – расстояние между ними;
– диэлектрическая
проницаемость диэлектрика.
Влияние изменений температуры на индуктивность и
емкость колебательного контура
количественно оценивается температурным
коэффициентом индуктивности
(ТКИ) и емкости (ТКЕ) . Они
определяются как относительное
изменение индуктивности и емкости при изменении температуры окружающей среды
на 1° С.
(12.3)
Лучшие по температурной стабильности конденсаторы – слюдяные – имеют ТКЕ, равный (0.5...1). Такого же порядка и ТКИ катушек. Изменение емкости
конденсаторов происходит в основном за счет изменения диэлектрической
проницаемости , так как конструктивно элементы конденсатора скреплены
жестко. ТКИ определяется в основном конструкцией катушки и зависит от материала
провода и каркаса.
Относительное изменение частоты автогенератора при
изменении температуры на 1° С называется температурным коэффициентом
частоты ТКЧ . Определяется ТКЧ по формуле
. (12.4)
Знак минус перед правой частью формулы указывает на
уменьшение частоты с увеличением температуры.
Тепловой режим автогенератора определяется не только
температурой окружающей среды, но и нагревом внутренних элементов (транзистора,
резисторов и др.). После включения питания вследствие постепенного разогрева
деталей частота генерируемых колебаний плавно понижается. Это явление называется
выбегом частоты.
Для температурной стабилизации режима работы транзистора
применяют автоматическое смещение включением резистора в эмиттерную цепь. Это
уменьшает изменение токов транзистора при изменении температуры.
Наиболее эффективный способ стабилизации частоты
автогенератора при изменении температуры – термостатирование, т. е. помещение всего автогенератора в термостат. Однако
применение термостата в передатчиках иногда оказывается нежелательным из-за
громоздкости, снижения оперативности эксплуатации, дополнительного расхода
энергии и др.
Независимо от возможности использования термостатирования
при построении каждого автогенератора применяются параметрические способы
стабилизации частоты, т.
е. способы, стабилизирующие параметры колебательного контура автогенератора.
Эталонностью контура называется способность его сохранять
неизменным значение собственной частоты колебаний. Поскольку конденсатор и
катушка контура обладают достаточно
высокой добротностью, эталонные свойства эквивалентного контура
определяются главным образом нестабильностью паразитных емкостей, шунтирующих
контур. Их влияние уменьшается при повышении добротности контура Q.
Так, при определенном сопротивлении контура повышение
добротности позволяет уменьшить характеристическое сопротивление контура путем
увеличения емкости контура СK. А при этом уменьшается относительное изменение емкости , а следовательно, уменьшаются изменения частоты . Однако при повышении рабочей частоты контура нужно
уменьшать его емкость СK, что приводит к увеличению нестабильности емкости , а следовательно, к ухудшению эталонности контура. Поэтому с
укорочением длины рабочей волны стабильность частоты ухудшается.
Фиксирующей способностью
контура называется его
свойство компенсировать фазовый сдвиг, возникающий между напряжением на контуре
и первой гармоникой выходного (коллекторного) тока.
Как было показано выше, для нормальной работы
автогенератора необходимо выполнение условия баланса фаз: , где – угол сдвига фаз между
первой гармоникой коллекторного тока и напряжением на контуре; – угол сдвига фаз между
напряжением на контуре и напряжением обратной связи. Это означает, что колебание,
пройдя от входа транзистора к выходу и дальше по цепи обратной связи на вход,
должно быть в той же фазе, или суммарный
фазовый сдвиг по замкнутой системе автогенератора.
Но всякое изменение режима работы усилительного прибора
под действием дестабилизирующих факторов вызывает изменение фазового сдвига в цепи обратной связи
и, следовательно, нарушение баланса фаз.
Так, если напряжение на входе UВХ транзистора отстает от вновь поступающего
по цепи обратной связи напряжения UО.С , то частота генерируемых
колебаний возрастает. И наоборот, при
появлении отрицательного сдвига фаз генерируемая
частота уменьшается, т. е. получает отрицательное приращение (). Изменение частоты зависит от добротности
контура. У контура с большой добротностью Q изменение частоты меньше. Это показано на рисунке 12.2. Следовательно, для
повышения стабильности частоты автогенератора следует применять в нем контур с
высокой добротностью
. (12.5)
Это достигается уменьшением связи последующего каскада с
выходной цепью задающего генератора, а также выбором режима работы последующего
каскада без токов в его входной цепи (буферный режим).
Рисунок 12.2 – Характеристики параллельного контура при различных добротностях (): а – амплитудно-частотные; б – фазочастотные
Литература: [6, стр.232 – 237].
Лекция 13. Кварцевая стабилизация частоты
Цель занятия:
1.
Недостатки параметрической стабилизации частоты.
2.
Кварц и его
свойства.
Недостатки
параметрической стабилизации частоты. В связи с тем, что, как было показано,
частота создаваемых автогенератором колебаний определяется параметрами
эквивалентного колебательного контура, стабилизация частоты сводится к выполнению
двух требований:
- частота колебаний должна определяться
только колебательным контуром или цепью обратной связи; добротность контура или
цепи обратной связи должна быть высокой;
- колебательный контур автогенератора
(или цепь обратной связи) должен обладать высокими эталонными свойствами.
Параметрические способы стабилизации частоты направлены на
стабилизацию параметров колебательного контура. Но реально выполняемые контура
в большинстве случаев не обладают достаточной добротностью и
эталонными свойствами.
Автогенераторы с LС–контурами обеспечивают стабильность частоты порядка . А этого оказывается недостаточно.
Кварц и его свойства. Кварцевая пластина обладает пьезоэффектом
– прямым и обратным. Сущность пьезоэффекта
заключается в полном преобразовании электрической энергии в механическую и
обратно.
Прямой пьезоэффект состоит в том, что механические деформации
(сжатие, растяжение, изгиб) кварцевой пластины вызывают появление
электрических зарядов на гранях ее. Как правило, используются пластины косых
срезов с колебаниями сжатия – растяжения по ширине (в диапазоне 50,.. 500 кГц) и с
колебаниями сдвига по толщине (в диапазоне выше 500 кГц).
Если кварцевую пластину поместить в электрическое поле, т.
е. к параллельной паре граней приложить разность потенциалов, то вдоль
перпендикулярных осей возникнет механическая деформация – обратный пьезоэффект.
Под действием переменного электрического поля в пластине
возникают упругие механические колебания.
Так, при колебаниях сдвига по толщине основная частота механических
колебаний кварцевого резонатора определяется соотношением
, (13.1)
где М – частотный коэффициент;
d – толщина пластины.
Для пластины с
колебаниями сдвига по толщине М = 1.5…3
МГц/мм. Для повышения частоты
необходимо уменьшать толщину
пластины d. Но пластины тоньше 0.1 мм оказываются хрупкими и не
изготовляются. Следовательно, частота
основных колебаний кварцевой пластины составляет 15...30 МГц. Как и во всякой колебательной
системе, в кварцевом резонаторе наблюдается ряд колебаний высших частот – гармоник. При необходимости стабилизации более высоких частот используют
высшие гармоники механических колебаний кварцевой пластины: нечетные (п
= 3, 5, 7), так как только в этом случае на обкладках
резонатора получаются заряды противоположных знаков.
Эквивалентная
схема кварца. Поведение кварца в переменном
электрическом поле аналогично поведению электрического колебательного контура
3-го вида (рисунок 13.1, а).
Рисунок 13.1 – Эквивалентная схема кварца
Параметры
кварцевого резонатора.
Основными параметрами
эквивалентной электрической схемы кварцевого резонатора являются динамические
индуктивность LКВ и емкость CКВ, сопротивление rКВ и статическая емкость С0,
добротность и коэффициент
включения .
Динамическая индуктивность LКВ отражает инерционные свойства пластины (массу ее), ее значение от
десятых до единиц генри. Динамическая емкость кварца CКВ является аналогом эластичности, т. е. величины, обратной
упругости. Емкость CКВ очень мала – сотые доли пикофарады. Сопротивление rКВ отражает все потери энергии колебаний в кварцевом резонаторе,
основными из которых являются потери на внутреннее трение при механических
деформациях кристалла (rКВ – от единиц до сотен Ом). Емкость С0 характеризует статическую емкость кварцедержателя (С0 = 1...50 пФ).
Параметры эквивалентного контура кварцевого резонатора
существенно отличаются от параметров LС-контура. При такой большой индуктивности LКВ и столь малой емкости CКВ характеристическое сопротивление кварца получается
очень большим. Поэтому, несмотря на сравнительно большое сопротивление потерь rКВ, добротность эквивалентного контура кварца получается
очень большой –
порядка 100000, а для обычного
контура Q = 100...200.
Резонансная
характеристика кварца.
Колебательный контур, соответствующий
эквивалентной схеме кварцевого резонатора, характеризуется двумя резонансными частотами: частотой последовательного
резонанса в ветви, образованной динамическими параметрами собственно кварца , и
частотой параллельного резонанса всего контура с учетом емкости кварцедержателя
С0
. (13.2)
Отношение обычно значительно
меньше единицы (). Поэтому резонансная частота собственно кварца незначительно
отличается от частоты . Разность этих частот составляет от нескольких сотен до двух-трех тысяч герц.
Зависимости сопротивлений кварцевого резонатора и как эквивалентного
контура представлены на рисунке 13.2. Из них видно, что в интервале частот кварцевый резонатор
имеет индуктивное сопротивление, т. е. представляет собой индуктивность. Для
всех остальных частот – емкостное сопротивление. Резонансная характеристика параллельного
контура очень острая, так как добротность контура высокая. Поэтому резонансная
частота собственно кварца находится далеко за
пределами полосы частот параллельного контура.
Рисунок 13.2 – Резонансные характеристики кварца
Фазочастотная характеристика резонатора вследствие высокой
добротности его имеет большую
крутизну в узких диапазонах частот
вблизи и . Это является условием обеспечения высокой стабильности
частоты кварцевых резонаторов.
Кроме того, кварцевый резонатор обладает высокой
эталонностью собственных частот и фиксирующей способностью вследствие механической прочности и химической
стойкости, не изменяющихся под
действием дестабилизирующих факторов.
Литература: [6,
стр.240 – 244].
Лекция 14. Схемы кварцевых автогенераторов
Цель занятия:
1.
Осцилляторные схемы автогенераторов.
2.
Фильтровые
схемы автогенераторов.
Для построения схем высокостабильных автогенераторов кварцевый
резонатор используют либо как высокоэталонную индуктивность, замещая им
катушку в емкостной трехточечной схеме, либо как высокодобротный
последовательный контур в цепи положительной обратной связи автогенератора. В
соответствии с местом включения кварца в схему автогенератора различают две
группы кварцевых автогенераторов: осцилляторные и фильтровые.
Осцилляторные
схемы. В них кварц
включается вместо одной из индуктивностей в обобщенной трехточечной схеме, как
показано на рисунке 14.1. Колебания в этих схемах могут существовать только
тогда, когда кварц имеет индуктивное сопротивление, т. е. на частоте, близкой к
собственной резонансной частоте кварца . На других частотах баланс фаз не выполняется и колебания в
автогенераторе не возникают. На практике чаще всего используется емкостная
трехточечная схема, у которой кварц включается вместо индуктивности в участок
коллектор –
база. Эта схема обладает лучшей стабильностью частоты, что является следствием
меньшего шунтирования кварцевого резонатора самим транзистором. Кроме того, в
схеме отсутствуют катушки индуктивности, что дает возможность построения
автогенераторов в интегральном исполнении. Простейшая принципиальная схема
транзисторного автогенератора с кварцем, включенным в цепь база – коллектор, приведена на рисунке 14.2. Это емкостная
трехточечная схема автогенератора. Работа автогенератора по этой схеме возможна
только на частоте кварца. При неисправности кварца (шунтировании его или обрыве
в цепи) генерация срывается. Недостатком этой схемы является то, что кварц
шунтируется сопротивлением коллекторно-базового перехода транзистора, что снижает
стабильность частоты генерируемых колебаний, так как это сопротивление
изменяется под действием дестабилизирующих факторов.
Рисунок 14.1 – Осцилляторные схемы
Рисунок 14.2 – Схема кварцевого автогенератора
Фильтровые схемы. В них кварцевый резонатор включают
последовательно в цепь обратной связи, соединяющую базу, эмиттер или коллектор
транзистора с колебательным контуром автогенератора. Варианты включения
кварцевого резонатора в схему емкостной трехточки приведены на рисунке 14.3.
Кварцевый резонатор может быть также включен в колебательный контур. На
основной частоте последовательного резонанса (или на нечетной механической
гармонике) кварц обладает только небольшим активным сопротивлением. При этом
создаваемая кварцем цепь обратной связи замыкается, условия самовозбуждения
выполняются, и возникают колебания в автогенераторе. Принципиальная схема
кварцевого автогенератора с кварцем в цепи обратной связи приведена на рисунке
14.4.
Рисунок 14.3 – Фильтровые схемы автогенератора
Двухкаскадные схемы. Автогенератор, работающий на гармонике
частоты кварца, можно построить на основе однокаскадного усилителя, включив
кварцевый резонатор в цепь обратной связи, как показано на рисунке 14.5. Эта
схема получила название схемы Батлера. Здесь часть напряжения с колебательного
контура через кварцевый резонатор подается на эмиттер в
Рисунок 14.4 – Схема кварцевого автогенератора с кварцем в цепи обратной связи
противофазе
с напряжением на коллекторе. Этим обеспечивается баланс фаз. Баланс амплитуд
достигается подбором сопротивления резистора RЭ. Чтобы сохранить высокую фиксирующую способность кварцевого
резонатора и этим обеспечить высокую стабильность частоты, необходимо
уменьшать сопротивления, включаемые в цепь обратной связи последовательно с
кварцевым резонатором.
Создание высокостабильных колебаний в схеме Батлера достигается
включением в цепь обратной связи эмиттерного повторителя на транзисторе VТ2. Емкость конденсатора VС1 выбирают из условия обеспечения баланса амплитуд, а кварцевый
резонатор включают через малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя,
чем обеспечивается высокая фиксирующая способность кварцевого резонатора. Это
происходит потому, что в цепь обратной связи последовательно с резонатором не
включены большие сопротивления и добротность его определяется в основном
сопротивлением только самого кварца.
Сравнив различные
схемы автогенераторов, можно отметить, что лучшие устойчивость и
стабильность обеспечиваются: в осцилляторных схемах на частотах до 30 МГц, в автогенераторах с кварцем в контуре до 90 МГц, по схеме Батлера свыше 90 МГц.
Рисунок 14.5 – Схема Батлера с повышенной стабильностью частоты
Схема автогенератора
«Гиацинт-М». Радиопередающие устройства радиостанций обычно
выполняют по классической схеме, состоящей из возбудителя-синтезатора,
усилителя мощности, модулятора, антенно-фидерного устройства, блоков управления
и электропитания.
В составе возбудителя-синтезатора имеется опорный генератор
«Гиацинт-М», обеспечивающий высокую стабильность частоты.
Тракт высокой частоты ОГ состоит из автогенератора с БУ,
кварцевого резонатора, УВЧ, нагруженного на выходной трансформатор, и схемы
коррекции частоты. Автогенератор выполнен по двухконтурной схеме на микросхеме
159НТ1А (рисунок 14.6). Индуктивная ветвь колебательной системы состоит из
кварцевого резонатора Р1, варикапа VD1 (2В102Е)
и конденсатора С1. Другая ветвь контура является емкостным делителем, в
одно плечо которого входит конденсатор С2, во второе – конденсаторы С6, С8, С9 и С10, подбором которых можно
корректировать частоту генератора в пределах 5...8 Гц. Роль внешнего контура
выполняет резистор R5.
Рисунок 14.6 - Схема автогенератора «Гиацинт-М»
Режим работы микросхемы автогенератора и БУ по постоянному
току определяется резисторами R2–R6. Питание микросхем осуществляется стабилизированным напряжением +9
В.
Работа автогенератора основана на принципе использования
отрицательного входного сопротивления эмиттерного повторителя, нагруженного на
емкость. Кварцевый резонатор Р1, включенный в цепь базы, возбуждается на
частоте, близкой к частоте последовательного резонанса.
Возбуждение на требуемой механической гармонике достигается
выбором емкостей С2 и СЗ. Одновременно изменением их значений в
определенных пределах возможна
корректировка частоты генератора
в пределах 5...8 Гц по частоте 5 МГц и восстановление номинальной частоты. С
автогенератора сигнал частоты 5 МГц поступает на вход буферного усилителя,
выполненного по схеме эмиттерного повторителя на втором транзисторе микросхемы.
С его нагрузки R6 через
разделительный конденсатор С7 напряжение радиочастоты 5 МГц подается на
выход автогенератора.
Литература: [6, стр.244 – 247].
Лекция 15. Системы диапазонно-кварцевой стабилизации частоты
Цель занятия:
1.
Гетеродинный (интерполяционный)
метод.
2.
Метод многократного гетеродинирования.
3.
Метод косвенной интерполяции.
4. Синтезаторы частот.
Гетеродинный (интерполяционный)
метод получения высокостабильных колебаний
состоит в следующем: каждая рабочая частота f0 создается суммированием или вычитанием частот колебаний
двух генераторов – кварцевого и перестраиваемого. Структурная схема такого
возбудителя приведена на рисунке 15.1, а. От кварцевого автогенератора (КАГ)
сигнал подается на смеситель (См). Одновременно
на смеситель подается колебание одной из частот от перестраиваемого
автогенератора (ПАГ). Выбирая одну из гармоник КАГ и одну из частот ПАГ, можно
получить ряд частот в некотором плавном диапазоне. После смесителя требуемая
рабочая частота выделяется полосовым фильтром (ПФ).
Лучшее ослабление побочных составляющих можно получить
компенсационным методом, при котором используется двойное преобразование
частоты при одном перестраиваемом генераторе. Структурная схема такого
преобразователя приведена на рисунке 15.1, б. От КАГ колебание подается на
первый смеситель См1, где
понижается до значения, легко отделяемого полосовым фильтром ПФ1. Поскольку ПФ1 не перестраиваемый, то
конструкция его упрощается. Отфильтрованное колебание затем подается на второй
смеситель См2, где
частота колебания повышается до значения рабочей.
Рисунок 15.1 – Структурная схема синтезатора, работающего интерполяционным методом:
а – с одним
преобразованием, б – с двойным преобразованием
Многократное гетеродинирование позволяет получить произвольное число
рабочих частот. Это достигается тем, что частоты от обоих генераторов fЭ.Г и fА.Г изменяются дискретно.
Структурная схема многократного гетеродинирования приведена
на рисунке 15.2. Колебания от опорного автогенератора КвОАГ подаются на
преобразователь Пр1. Туда же подаются колебания от другого автогенератора Кв1.
На выходе получаем суммарные и разностные частоты. И так после каждого
следующего звена. На выходе возбудителя можно получить большое число частот.
Рисунок 15.2 – Структурная схема многократного
гетеродинирования
Метод косвенной интерполяции частоты состоит в следующем. Рабочее колебание
формируется синхронизируемым диапазонным автогенератором, частота которого
непрерывно сравнивается с эталонной частотой другого (эталонного) генератора
(рисунок 15.3). Для этого колебания от синхронизируемого автогенератора (САГ) и
кварцевого опорного автогенератора (КАГ) подаются на смеситель См, на выходе
которого выделяются колебания с разностной частотой fК – fС или fС – fК. Последнее одновременно с колебанием от
перестраиваемого генератора ПАГ подается на фазовый детектор (ФД), где
происходит их сравнение. На выходе ФД появляется напряжение рассогласования,
которое подается через реактивный
элемент РЭ (например, варикап) на САГ и корректирует частоту выходного
колебания.
Рисунок 15.3 – Структурная схема косвенной интерполяции
Декадные синтезаторы частот. Принцип построения декадных синтезаторов
частот сводится к выполнению следующих последовательных операций:
- от опорного
генератора с частотой fОГ,
кратной 10 (например 100 кГц, 1 МГц), получают спектр из десяти смежных гармоник;
- выбирают одну из
этих десяти гармоник декадным переключателем частоты, имеющим десять положений
(от 0 до 9);
- выбранную
составляющую частоты, т.е. п-ю
гармонику, складывают с частотой опорного генератора; при этом необходимо,
чтобы первая цифра числового выражения суммарной частоты соответствовала
номеру положения декадного переключателя;
- деление суммарной
частоты на 10, что переводит введенную цифру в следующий, более низкий,
десятичный порядок;
- полученное
колебание используется в качестве опорного для следующей декады возбудителя, в
котором осуществляется выбор своей гармонической составляющей опорного
генератора, соответствующей цифре
соседнего (более высокого) порядка в числе программируемой рабочей
частоты;
- частоту
суммарного колебания делят на 10 и полученное колебание используют как опорное
для следующей декады и т. д.
В результате на выходе такого возбудителя получается колебание
с частотой, значение которой совпадает с показателями декадных переключателей.
Структурная схема декадного синтезатора приведена на
рисунке 15.4. От опорного генератора на вход датчика опорных частот (ДОЧ), в
котором формируется f0 и
десять частот fk с одинаковым шагом Δf , , где k = 0, 1, 2, ..., 9. Частота f0 обычно кратна Δf. Затем на первый сумматор С1 подаются две частоты: опорная
частота f0 и
одна из частот fk, определяемая выбранным положением К1. Колебания суммарной частоты выделяются
фильтром Ф1 этой частоты и поступают в делитель. Таким образом, на
выходе первой декады получается одна из частот
, (15.1)
где k1 = 0, 1, 2, …, 9, т.е. после первой декады имеется сетка из 10 частот с шагом в 10 раз
меньше, чем Δf.
Рисунок 15.4 – Структурная схема
декадного синтезатора частот
Принципиальная схема синтезатора частот с ФАПЧ приведена на рисунке 15.5
Рисунок 15.5 -
Принципиальная схема синтезатора частот с ФАПЧ
Сигнал с частотой опорного генератора 5
МГц поступает на делитель с фиксированным коэффициентом деления (DD2), на выходе которого получается сигнал
опорной частоты 1 МГц (КТ33). Сигнал с частотой выходного генератора, собранного
на транзисторе VT3
через схему нормализатора (DD1), подается на вход делителя с переменным коэффициентом деления
(КТ34). Требуемый коэффициент деления устанавливается переключателями SA1,SA2. Выходные сигналы делителей сравниваются
импульсно-фазовым детектором (DD7). В случае их несоответствия на выходе 6 микросхемы DD7 вырабатывается напряжение ошибки,
которое подается на регулирующий элемент (VD5), входящий в контур выходного
генератора. При этом частота выходного генератора приводится в соответствие с
частотой эталонного генератора.
Рисунок 15.6 -
Принципиальная схема интегральных синтезаторов частоты
с ФАПЧ
Появление интегральных микросхем
синтезаторов частоты с ФАПЧ решило сразу несколько проблем – получение сетки
частот одновременно для приемника и передатчика в малогабаритных станциях при
использовании одного кварцевого резонатора, простое переключение каналов
приемника и передатчика набором двоичного кода, упрощение схемы
высокочастотного тракта. Синтезатор формирует сетку частот, используя метод
деления частоты опорного кварцевого генератора с помощью делителя частоты с
программируемым коэффициентом деления. Перестраиваемые генераторы имеют
невысокую стабильность и управляются напряжением. Стабилизация частоты
осуществляется с помощью системы фазовой автоподстройки частоты. Система ФАПЧ
представляет собой фазовый детектор, на входы которого поступают частоты с
выхода ГУН и опорного генератора. Детектор сравнивает фазы поступающих сигналов
и формирует на выходе сигнал ошибки – относительный показатель разности фаз.
Полученный сигнал ошибки после обработки в ФНЧ поступает на управляющий элемент
ГУН – варикап и, таким образом,
управляет частотой генератора.
Литература: [6, стр.247 – 257].
Лекция 16. Модуляция. Виды модуляции
Цель занятия:
1.
Общие сведения о модуляции.
2.
Амплитудная модуляция.
3.
Угловая модуляция.
4. Сжатие динамического диапазона при модуляции.
Общие
сведения. Радиочастотные колебания, создаваемые
радиопередатчиком и излучаемые его антенной в виде электромагнитных волн,
используются для передачи информации потому, что они легко распространяются на
большие расстояния.
Сообщения, которые необходимо передавать,
чаще всего представляют собой низкочастотные колебания. Такие колебания не
могут распространяться на большие расстояния. Поэтому спектр низкочастотного
сигнала необходимо перенести в область радиочастот. Для этого необходимо
осуществлять управление ими. Узкополосным сигналом
называется сигнал, у которого полоса пропускания не превышает 15-20% от несущей
частоты сигнала.
Моделью узкополосного сигнала
является гармонический сигнал
, (16.1)
где А – амплитуда;
– фаза сигнала;
-
начальная фаза.
Существует амплитудная
и угловая модуляция
,
– амплитудная модуляция (АМ),
- угловая модуляция,
– частотная (ЧМ),
- фазовая (ФМ).
Импульсная
модуляция
. (16.2)
Процесс управления колебаниями
радиочастоты с помощью колебаний информационной частоты называется модуляцией.
Модуляция осуществляется с помощью специального устройства,
называемого модулятором.
Радиочастотные колебания характеризуются тремя параметрами:
амплитудой,
частотой и фазой. Для осуществления модуляции необходимо изменять во времени
один из параметров радиочастотного колебания в соответствии с передаваемым
сигналом. В зависимости от того, какой из параметров радиочастотного колебания
изменяется, различают амплитудную,
частотную и фазовую модуляцию.
При работе передатчика в импульсном режиме для осуществления
модуляции изменяется один из параметров импульсов. Такая модуляция называется импульсной.
Для передачи телеграфных сигналов изменяют
один из параметров радиочастотных колебаний в соответствии с телеграфным кодом.
Радиотелеграфную модуляцию называют манипуляцией. Различают
соответственно манипуляцию амплитудную, частотную и фазовую.
Амплитудной модуляцией называется процесс
изменения амплитуды колебаний радиочастоты в соответствии с изменением амплитуды
колебаний низкой частоты передаваемого сигнала.
Для простоты анализа рассмотрим модуляцию одним тоном
частоты Ω, т.е. когда перед микрофоном звучит однотонное колебание одной
частоты. График колебания показан на рисунке 16.1, при этом выражение тока
радиочастоты при модуляции принимает вид
. (16.3)
Выполняя дальнейшее преобразование выражения тока
модулированных колебаний, получаем
. (16.4)
Отношение приращения амплитуды тока
несущей частоты при модуляции к его значению до модуляции обозначают буквой m и называют коэффициентом глубины модуляции или глубиной модуляции.
Рисунок 16.1 – Временная диаграмма
амплитудно-модулированных колебаний
Значение коэффициента глубины модуляции m зависит только от амплитуды модулирующего
колебания. Например, при передаче речи или музыки – от громкости звука. При
линейной модуляции коэффициент m прямо пропорционален амплитуде напряжения
модулирующего сигнала , где а – коэффициент пропорциональности.
На рисунке 16.2 приведены временные диаграммы амплитудно-модулированных
колебаний при различных коэффициентах модуляции m. Для осуществления амплитудной модуляции
без искажений коэффициент модуляции не должен превышать единицы.
Рисунок 16.2 – Графики амплитудно-модулированных колебаний
при различной глубине модуляции:
Выражение для тока амплитудно-модулированных колебаний
можно представить в следующем виде
. (16.5)
Видно, что промодулированное по амплитуде колебание является
сложным и состоит из трех составляющих:
- колебания несущей
частоты с амплитудой , такой же, как и
до модуляции;
- колебания с
частотой и амплитудой , называемого
колебанием верхней боковой частоты;
- колебания с
частотой , и амплитудой , называемого
колебанием нижней боковой частоты.
Рисунок 16.3 – Спектр частот при амплитудной модуляции
Графически спектр колебаний, промодулированных по амплитуде,
можно изобразить, как показано на рисунке 16.3.
Рисунок
16.4 – Временное представление УМ сигнала.
Рисунок 16.5 – Спектральное представление УМ сигнала.
(16.6)
если .
Спектр
ФМ колебания шире, чем ЧМ при модуляции тем же сигналом, поэтому на практике ФМ
при модуляции непрерывного сообщения не применяется.
Теоретически ширина спектра ЧМ бесконечна, однако на практике приближенно
. (16.7)
Более точная формула
(16.8)
Сжатие динамического диапазона
используется для снижения максимальных уровней сильных сигналов, приводящих к
перегрузкам усилительного и передающего трактов, и одновременного повышения
уровня слабых сигналов, которые могут быть заглушены шумами и помехами. Таким
образом, компрессор уменьшает разность уровней громких и тихих звуков(слогов),
улучшая разборчивость речи.
Развитие
интегральной схемотехники привело к появлению специализированных МС
компрессоров и экспандеров. Обычно они совмещаются в одной МС, называемой
компандером (компрессор - экспандер). Каждая часть схемы содержит
ограничитель напряжения, ОУ с изменяемым коэффициентом усиления, двухполупериодный
выпрямитель, цепи питания и смещения.
Наиболее простая структурная схема у
компандера МС 33110. Он выпускается в корпусах DIP – 14 и SО – 14,
содержит все элементы компрессора и экспандера, рассмотренные выше, а также
вспомогательные цепи питания: стабилизатор напряжения, источники Ucm и Uref. Микросхема
хорошо работает при низком напряжении питания (2,1В…7,0В). Более сложная
структура у микросхем LA8630 (SO - 16), LA8632/33 (SO - 24), показанных на рисунке 16.6. В них имеются
ключевые элементы для коммутации речевых сигналов (SW) и дополнительне усилители ЗЧ для организации
низкочастотных фильтров с внешними RC –
цепями (LA8632/33,AN6165).
Компандеры фирмы Matsushita AN 6165
используются в PT Panasonic KX – T3855H и других
моделях. В радиотелефоне SONY SPP – 320 применяется компандер TOKO TK10651, имеющий
20 выводов.
Рисунок
16.6 – Микросхемы компандеров
Литература: [6,
стр.280, 293 – 298].
Лекция 17. Типовые схемы передатчиков
Цель занятия:
1.
Передатчики
в интегральном исполнении.
2.
Телевизионные
передатчики.
3.
Однополосные
пердатчики.
4.
Передатчики
с УМ.
Рисунок 17.1 – Передатчики в интегральном исполнении
Фирмой Motorola были разработаны специализированные ИС маломощных
РПДУ для радиотелефонов, которые можно встретить во многих моделях Sony, Funai, Premier и др. На рисунке 17.1 а, б приведены структурные
схемы МС2831А и МС2833, а на рисунке 17.1 в - схема включения МС2833. Обе ИС рассчитаны на работу в диапазоне
питающих напряжений 3,0…8,0 В и потребляют сравнительно небольшой ток от
источника питания (4,0 мА при 4В).
РПДУ на микросхеме МС2833 (рисунок
17.1- в) содержит те же узлы, что и передатчики на транзисторах: задающий
генератор с внешним управлением системой ФАПЧ, частотный модулятор с переменной
реактивностью (варикапом), буферный усилитель РЧ, предоконечный и выходной
каскады усилителя мощности.
С задающего генератора ВЧ колебания
подаются внутри МС на буферный усилитель, с выхода которого (вывод 14) через конденсатор
С207 сигнал поступает на базу транзистора предоконечного каскада Q2. Колебательный контур Т7202 в коллекторной цепи Q2 настроен на третью гармонику частоты задающего
генератора, т.е. каскад является усилителем-утроителем. Выделенное контуром
Т202 напряжение снимается с катушки связи и проходит через конденсатор С202 на
базу выходного транзистора УМ(Q1). В
коллекторной цепи Q1 включен контур Т201, связанный
с антенной РПДУ.
Рисунок 17.2 – Структурная схема телевизионного передатчика
Рисунок 17.4 - Структурные схемы передатчиков с ОМ
Рисунок 17.3 - Структурные схемы передатчиков низовой связи с угловой модуляцией: а – с непосредственной ЧМ в кварцевом автогенераторе; б – с использованием фазового модулятора; в – с автоматической подстройкой средней частоты на основе синтезатора частот
Системы
частотной и фазовой автоподстройки частоты. Данные системы используются в
передатчиках с угловой модуляцией для обеспечения требуемой стабильности
частоты. Структурная схема фазовой автоподстройки частоты приведена на рисунке 17.4.
Рисунок 17.4 – Структурная схема системы ФАПЧ
Подмодулятор предназначен для
усиления и обработки НЧ-сигнала, поступающего с микрофона на вход
передатчика. На
рисунке 17.5 представлена принципиальная электрическая схема подмодулятора
радиостанции РН-12Б.
Модулирующий
НЧ-сигнал от микрофона через подстроенный резистор R14 и разделительный
конденсатор С20 поступает на вход микросхемы ИС305, где осуществляется его
усиление и предварительная коррекция частоты с последующим ограничением по
амплитуде. Далее через подстроечный резистор R12 и разделительный конденсатор С15 сигнал
поступает на вход согласующего селективного резистивно-емкостного (RC) усилителя на ИС322, ограничивающего
полосу НЧ-сигнала до 3000 Гц. Примененные в схеме подстроенные резисторы предназначены:
- R14 для регулирования чувствительности
микрофонного входа;
- R12 для регулирования частотной девиации
передатчика.
Рисунок 17.5 - Принципиальная электрическая схема подмодулятора
Рисунок 17.6 - Принципиальная электрическая схема генератора-модулятора
Задающий генератор (ЗГ) на микросхеме
ИС314, построенный по схеме "емкостной трехточки", генерирует
ВЧ-колебания в диапазоне 12...15 МГц. Частота генератора на каждом рабочем канале
стабилизируется одним из кварцевых резонаторов, подключаемых переключателем
каналов. Точная установка номинальной частоты генератора осуществляется подстроечным
конденсатором соответственно.
Фазовый модулятор на микросхеме ИС316
работает по схеме с преобразованием амплитудной модуляции в фазовую.
Модулирующий НЧ сигнал поступает на модулятор с микросхемы ИС322 подмодулятора
через разделительный конденсатор С14.
Резонансный контур Т-13 в
нагрузке фазового модулятора, настроенный на частоту задающего генератора, подавляет паразитную AM модулятора.
Литература: [6,
стр.334 – 435].
Список литературы
1.
Муравьев О.Л. Радиопередающие устройства связи и вещания. – М.: Радио и связь,
1983.
2.
Муравьев О.Л. Радиопередающие устройства. - ч.1. – М.: Связь, 1974.
3.
Муравьев О.Л. Радиопередающие устройства. - ч.2. – М.: Связь, 1978.
4.
Городецкий С.А. Радиопередающие устройства магистральной связи. – М.: Связь,
1980.
5.
Ильина Н.Н. Радиовещательные радиопередающие устройства. – М.: Связь, 1980.
6.
Радиопередающие устройства. В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.
Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2003. – 559с.
7.
Иванов В.К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. – М.: Радио и
связь, 1989. - 320с.
8. Проектирование и техническая эксплуатация
радиопередающих устройств., М.А. Сиверс, Г.А. Зайтленок, Ю.Б. Несвижский и др.
– М.: Радио и связь, 1989. – 368с.
9.
Проектирование радиопередающих устройств. Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.:
Радио и связь, 2003. – 453с.
10.
Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых
приборах. – М.: Высшая школа, 1989. – 398с.
11. Каменецкий М.В.,
Заикин В.А. Радиотелефоны. – С.П-б.:Наука и
техника, 2000.-256с.
Содержание
Введение……………….…………………………………..………3
Лекция 1. Назначение и классификация радиопередающих устройств
Лекция 2. Генератор с внешним
возбуждением………………...5
Лекция 3. Режимы работы генератора
колебаниями первого и
второго рода……………………………………………...9
Лекция 4. Гармонический анализ импульсов выходного тока
генератора………………………………………………..12
Лекция 5. Схемы питания генератора………………………...…16
Лекция 6. Режимы работы генератора по напряженности……..18
Лекция 7. Сложение мощностей генераторов…………………..22
Лекция 8. Выходные каскады передатчиков……………………27
Лекция 9. Умножители частоты колебаний…………..................32
Лекция 10.Автогенераторы……………………………………….36
Лекция 11. Режимы самовозбуждения автогенераторов…….....39
Лекция 12. Причины нестабильности частоты и
параметрические способы ее
стабилизации…………….41
Лекция 13. Кварцевая стабилизация частоты…………………….45
Лекция 14. Схемы кварцевых автогенераторов……………….....48
Лекция 15. Системы диапазонно-кварцевой
стабилизации
частоты…………………………………………………….52
Лекция 16. Модуляция. Виды модуляции………………………..57
Лекция 17. Типовые схемы передатчиков………………………..62
Список литературы………………………………………………....67
Сводный план 2006 г., поз.163