Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Принципы стабилизации частоты

Частота свободных колебаний в контуре зависит главным образом от его индуктивности и емкости. Эти параметры не только связаны со свойствами катушки и конденсатора, но зависят и от присоединенных к колебательному контуру внешних цепей. Температура и другие параметры окружающей среды, могут вызывать изменение результирующих индуктивности и емкости и через них влиять на частоту колебаний контура. В случае генератора это приведет к изменению частоты генерируемых колебаний, которая изменяется также при любых регулировках или изменениях в присоединенных цепях.

Внутренняя емкость усилительного элемента и его входное и выходное активные сопротивления зависят от приложенного напряжения питания. Поэтому непостоянство напряжения питания транзистора или туннельного диода и других электронных элементов, входящих в состав генератора или подключенных к нему, также вызывает изменение частоты. Механические сотрясения и удары также могут приводить к изменениям частоты из-за изменений емкости и индуктивности.

Для улучшения температурной стабильности при изготовлении колебательного контура выбирают материалы, наименее подверженные влиянию температуры. Дополнительно применяют температурную компенсацию, включая в состав контура компенсационный конденсатор, емкость которого благодаря специальному подбору изоляционного материала уменьшается при повышении температуры и вызывает повышение частоты, что компенсирует ее понижение из-за влияния температуры на другие элементы.

Чтобы устранить влияние внешней температуры и других свойств внешней среды на генератор, его помещают в герметичный термостат-камеру с точно стабилизированной температурой.

Влияние подключенных к контуру внешних цепей и элементов уменьшается ослаблением связи контура с ними и, в частности, с нагрузкой. Чтобы уменьшить влияние нагрузки, между ней и генератором используют промежуточный «буферный» усилитель.

Нестабильность питающего напряжения устраняется применением стабилизатора. Воздействие механических сотрясений предотвращается амортизацией, т.е. упругой подвеской генератора.

Эффективный способ получения колебаний стабильной частоты состоит во включении в генератор кварцевого резонатора. Такой резонатор представляет собой пластину, вырезанную из кристалла кварца и помещенную между двумя металлическими обкладками (электродами). Кварцевые пластины обладают пьезоэлектрическим эффектом. При механической деформации пластины на ее поверхности возникают электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект); при действии электрического поля пластина деформируется (обратный пьезоэлектрический эффект). Если приложенное напряжение переменное, то пластина совершает механические колебания.

Кварцевая пластина, как и всякое упругое тело, обладает резонансной частотой механических колебаний, зависящей от ее размеров. Будучи включенной в электрическую цепь, пластина представляет собой обычную резонансную систему, т.е. обладает свойствами колебательного контура. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора представляет собой последовательно включенные индуктивность, емкость и активное сопротивление, параллельно которым включена емкость между выводами резонатора (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

 

В соответствии со схемой рис. 2.12 кварцевый резонатор имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса и частоту параллельного резонанса . Поскольку ёмкость последовательно соединенных конденсаторов Ск и С0 меньше емкости Ск, то ω0 > ωк. Следует отметить, что разница между этими частотами составляет несколько сотен герц. Так как С0 зависит и от внешних цепей; то ω0 она менее стабильна, чем ωк.

Замечательным свойством кварцевого резонатора является слабая зависимость его параметров от изменения температуры и напряжения питания. Так, относительное изменение частоты генератора с кварцевым резонатором при изменении окружающей температуры на 1°С или питающего напряжения на 0,1 В не превышает 10-8. Это и определило исключительную популярность кварцевых резонаторов для обеспечения стабильной частоты автогенераторов.

Существует большое число различных схем автогенераторов с кварцевым резонатором, отличающихся активным (усилительным) элементом (лампа, транзистор, туннельный диод, интегральный модуль и т.д.) и способом или местом включения резонатора (резонатор в качестве одного из сопротивлений трехточечной схемы, резонатор в цепи положительной обратной связи и т.д.). Наиболее часто в качестве активного элемента используются транзистор и туннельный диод.

Одна из возможных практических схем транзисторного кварцевого автогенератора приведена на рис. 2.13. Кварцевый резонатор возбуждается на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса сок. Для коррекции частоты предусмотрена катушка L, включенная последовательно с резонатором П. Рабочая точка транзистора определяется сопротивлениями резисторов R1-R2. Конденсаторы С1 и С2 совместно с резонатором и катушкой образуют схему емкостной трехточки.

Современные передатчики, Как правило, предназначены для работы не на одной частоте, а в широком диапазоне частот. При этом на какой бы частоте ни работал передатчик, он должен обеспечить требуемую стабильность частоты. Использовать для каждой частоты кварцевый генератор нецелесообразно. Поэтому разработаны специальные устройства - синтезаторы частоты, в которых используются способы прямого или косвенного синтеза частоты на основе стабильного опорного генератора.

При прямом синтезе выходная частота синтезатора получается путем многократных последовательно проводимых операций деления, умножения, сложения и вычитания частоты колебания опорного генератора и частот, получающихся при этих операциях колебаний.

Деление частоты производится специальными каскадами - делителями частоты, в качестве которых можно использовать, например, триггеры.

Рис. 2.13. Схема кварцевого автогенератора

 

В качестве умножителей обычно используются генераторы гармоник, формирующие короткие импульсы из колебания, частота которого подлежит умножению. Спектр этих импульсов богат гармониками. С помощью узкополосного полосового фильтра из спектра импульсов выделяется сигнал требуемой гармоники.

Сложение и вычитание частот получается в процессе преобразования частоты в преобразователях (иногда их называют смесителями). На входы преобразователя подаются два сигнала с частотами, которые надо сложить или вычесть. При взаимодействии этих сигналов в преобразователе возникают составляющие различных комбинационных частот, в том числе суммарной и разностной, одна из которых выделяется фильтром.

Принцип прямого синтеза частоты можно пояснить с помощью рис. 2.14, где приняты следующие обозначения: Г - кварцевый генератор частоты 1 МГц; Д1-ДЗ - делители частоты на 10; У1-УЗ - умножители частоты с изменяемым коэффициентом умножения; Пр1, Пр2 -преобразователи частоты. Предположим, что необходимо получить частоту 156 кГц. После делителей частоты Д1-ДЗ получаются частоты соответственно 100, 10 и 1 кГц. Установив переключатели настройки умножителей У1-УЗ в положения n1=1, n2=5 и n3=6, получим на выходах умножителей соответственно частоты 100, 50 и 6 кГц. На выходе преобразователя Пр2 выделяется суммарный сигнал с частотой 50 + 6 = 56 кГц, а после преобразователя Пр1 - нужная частота 156 кГц.

Выделение нужных частот после умножителей и преобразователей производится резонансными контурами или фильтрами. Следует иметь в виду, что для уменьшения побочных составляющих (соседние гармоники, остатки слагаемых или вычитаемых в преобразователях сигналов, их комбинационных составляющих) необходимо использовать достаточно сложные фильтрующие устройства.

Рис. 2.14. Структурная схема синтезатора частоты

 

Рис. 2.15. Синтезатор частоты с ФАПЧ первого типа

 

В синтезаторах косвенного синтеза источником колебаний рабочей частоты служит перестраиваемый по частоте управляемый напряжением генератор (УГ). Текущая частота УГ преобразуется в частоту, равную частоте опорного сигнала или частоте другого колебания, полученного из сигнала опорного генератора, и сопоставляется с ней. В результате сравнения частот (с точностью до фазы) вырабатывается сигнал ошибки, который и подстраивает управляемый генератор. Цепь, выполняющая эти операции, называется системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Обычно используются два типа систем фазовой автоподстройки: с делением частоты в цепи приведения частоты управляемого генератора к частоте опорного сигнала и с суммированием или вычитанием сигналов в этой цепи, т.е. с преобразованием частоты [2].

Принцип работы системы ФАПЧ первого типа состоит в следующем (рис. 2.15). Колебания управляемого напряжением генератора УГ подаются на один из двух входов фазового детектора (ФД) через делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), который делит частоту сигнала генератора в п раз. На второй вход фазового детектора подается сигнал опорного генератора ОГ с частотой f0. Выходное напряжение фазового детектора через фильтр нижних частот (ФНЧ) воздействует на управляемый генератор так, что частота его сигнала, поделенная в n раз, будет равна частоте опорного генератора. Изменяя коэффициент деления ДПКД, можно изменять частоту генератора с шагом, равным частоте f0. В качестве ДПКД обычно используются счетчики импульсов, выполненные на цифровых элементах.

 

Рис. 2.16. Синтезатор частоты с ФАПЧ второго типа

 

Принцип работы системы ФАПЧ второго типа поясняется рис. 2.16. Колебания управляемого генератора с частотой fуг и колебания генератора сдвига (ГС) с частотой fc подаются на входы преобразователя частоты Пр. На выходе последнего полосовым фильтром (ПФ) выделяется сигнал разностной частоты ∆f = fс - fуг или ∆f = fуг – fс. Этот сигнал подается на один вход фазового детектора, на второй его вход поступает сигнал опорного генератора f0. На выходе детектора образуется управляющее напряжение, которое изменяет частоту управляемого генератора до получения равенства ∆f = f0. В качестве генератора сдвига можно использовать синтезатор, выполненный на основе метода прямого синтеза частоты.

Контрольные вопросы:

2.1. Приведите функциональную схему радиопередатчика и поясните назначение ее основных узлов.

2.2. Какими техническими показателями характеризуется радиопередатчик?

2.3. Каким образом осуществляется классификация радиопередающих устройств?

2.4. В чем заключаются особенности работы усилителей мощности (генераторов с внешним возбуждением) радиопередатчиков?

2.5. Поясните принципы работы автогенератора.

2.6. Каким образом обеспечивается стабильность частоты в кварцевом автогенераторе?

2.7. Приведите структурные схемы синтезаторов частот различных типов.

 

 

РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-17; Просмотров: 180; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! (0.089 с.) Главная | Обратная связь