Преобразователь частоты на основе аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде.

Стр 1 из 2Следующая ⇒

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов

Санкт-Петербург, Красноярск

2000г.

Составители: Ю.В. Ветров, В.В. Исаев, С.Б. Макаров,

С.А. Подлесный, А.М. Уланов, А.А. Шипицын;

под редакцией С.Б. Макарова и С.А. Подлесного

УДК 621.396.7

Устройства приема и обработки сигналов: Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов/Санкт-Петербургский гос. тех. университет, Красноярский гос.тех. университет; Сост.: Ю.В. Ветров, В.В. Исаев, С.Б. Макаров, С.А. Подлесный, А.М. Уланов, А.А. Шипицын; под ред. С.Б. Макарова и С.А. Подлесного. С-Пб, Красноярск, 2000/.

Учебное пособие к автоматизированному лабораторному практикуму по курсу «Устройства приема и обработки сигналов». Излагаются основные принципы построения узлов устройств приема и обработки сигналов и описания лабораторных работ: «Входные цепи», «Преобразователь частоты», «Частотный детектор», «Амплитудный детектор», «Фазовая автоподстройка частоты» и «Автоматическая регулировка усиления». Приводится методика проведения лабораторных работ с использованием встроенного цифрового процессора и персонального компьютера.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров «Радиотехника», «Техническая физика», «Телекоммуникации» и при подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Радиотехника», «Телекоммуникации».

Ил. Библиография.
Оглавление.

Предисловие. 4

Преобразователь частоты. 6

1. Общие вопросы. 6

2 Преобразователь частоты на основе аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде. 7

3 Преобразователь частоты на основе двойного балансного смесителя. 11

4 преобразователь частоты на диодном кольцевом балансном смесителе. 14

5. Побочные каналы приема. 17

6. Лабораторная работа. 18

6.1 Структурная схема установки. 19

6.2 Панель ручного управления. 20

6.3 Поле цифробуквенного дисплея. 21

7. Программа и порядок выполнения работы. 21

8. Содержание отчета. 24

9. Контрольные вопросы. 25

Список литературы. 26

Предисловие.

Содержание учебного пособия соответствует программе курса “Устройства приема и обработки сигналов”, предусмотренного государственным образовательным стандартом. Структура пособия состоит из теоретической части, в которой даются основные методы построения узлов устройств приема и обработки аналоговых и цифровых сигналов, и практической части, соответствующей лабораторному практикуму.

В процессе изучения происходит знакомство с общими принципами работы основных узлов устройств приема и обработки сигналов, физическими процессами, протекающими в этих узлах устройств, особенностями системотехнических и схемотехнических решений, тенденциями развития теории и техники. При изложении материала учебного пособия широко используются сведения, изучаемые в других разделах курса «Устройства приема и обработки сигналов». Материал этих разделов имеется в учебной литературе, список которой приведен в данном пособии.

Экспериментальные исследования обеспечивают поддержку основных разделов курса. В лабораторном практикуме предусмотрено выполнение исследований различных радиотехнических узлов, входящих в состав радиоприемных комплексов локационных и навигационных систем, устройств оптимальной обработки цифровых сигналов, телекоммуникационных и телевизионных устройств, систем автоматического управления, устройств синхронизации и поиска сигналов.

Автоматизированные лабораторные установки позволяют проводить лабораторные работы как в автономном режиме, с использованием встроенных измерительных приборов и источников питания, так и в режиме управления от ЭВМ, в том числе и с управлением по компьютерной сети в режиме удаленного доступа. Выполнение лабораторной работы заканчивается составлением отчета с выводами по проведенным экспериментальным исследованиям. В ряде случаев предусматривается выполнение расчетного домашнего задания с предоставлением результатов расчета и ответов на контрольные вопросы, перечень которых приведен в конце каждого раздела учебного пособия. Лабораторный практикум является одним из основных в подготовке бакалавров, магистров и дипломированных специалистов широкого профиля.

При подготовке учебного пособия учтен опыт работы коллектива кафедр “Радиотехника и телекоммуникации” и “Радиоэлектронные средства защиты информации” радиофизического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, а также преподавателей и специалистов Красноярского государственного технического университета.

Преобразователь частоты.

1. Общие вопросы.

Преобразователем частоты (ПЧ) называется устройство, предназначенное для переноса спектра сигнала в другую область частот с сохранением закона модуляции. В состав преобразователя частоты входят: смеситель, гетеродин и частотно-избирательная система (полосовой фильтр). Ширина спектра выходного сигнала смесителя u_вых(t) намного превышает ширину спектра входного сигнала u_c(t). С помощью полосового фильтра на выходе преобразователя выделяется сигнал u_пч(t) промежуточной частоты.

Преобразование частоты может быть выполнено следующими основными способами:

· Использованием в качестве смесителя электронного прибора (транзистора, диода) с нелинейной характеристикой вида y=L(x). При поступлении на вход такого прибора суммы входного сигнала и сигнала гетеродина u_c(t) + u_Г(t), где u_c(t)=U_ccosω _ct и u_Г(t)=U_Гcosω _Гt, в его токе возникает бесконечное множество гармонических колебаний с частотами ω _п=|± mω _Г ± nω _с|, где m, n=0, 1, 2, …, одно из которых (обычно с частотой ω _Г – ω _с или ω _Г + ω _с) выделяется в нагрузке смесителя, которой может быть частотно-избирательная система - полосовой фильтр.

· Использованием электронного устройства, выполняющего операцию перемножения двух функций. Сигнал на выходе такого устройства определяется выражением Au_c(t)u_Г(t), где А – постоянный коэффициент, не зависящий от u_c(t) и u_Г(t). При идеальном перемножении сигналов u_c(t)=U_ccosω _ct и u_Г(t)=U_Гcosω _Гt, в токе на выходе смесителя возникают колебания с частотами ω _п=|ω _Г ± ω _с| одно из которых далее выделяется в нагрузке. Побочные колебания, возникающие вследствие того, что операция перемножения в реальных устройствах выполняется с погрешностями, подавляются полосовым фильтром.

· Управлением с помощью сигнала гетеродина коэффициентом передачи линейного устройства (усилителя), на вход которого подается колебание u_c(t). В этом случае используется преобразование типа y=Fu_c(t), где F=φ (u_Г(t)). Если F=Bu_Г(t), то результат преобразования аналогичен результату перемножения, рассмотренному выше.

· Использованием параметрического преобразователя на реактивном элементе. В основе работы такого устройства лежит физический процесс преобразования энергии генератора высокочастотного сигнала (так называемого «генератора накачки») в энергию выходного сигнала, что приводит к преобразованию в реактивном элементе энергий входного сигнала и сигнала гетеродина в энергию сигнала промежуточной частоты. Обмен энергии осуществляется с помощью реактивного элемента – конденсатора или индуктивности, величины которых С(t) или L(t) изменяются как функции времени благодаря управлению со стороны «генератора накачки». Такие преобразователи наиболее эффективно работают в диапазоне СВЧ.

Наибольшее применение в устройствах приема и обработки радиосигналов нашли методы преобразования частоты, основанные на нелинейном преобразовании, либо на аналоговом перемножении входного сигнала и сигнала гетеродина.

Побочные каналы приема.

Преобразователь частоты в общем случае служит для переноса спектра входного сигнала с частотой ω _с в другую область вблизи номинального значения промежуточной частоты ω _пч с сохранением закона модуляции.

Сигналы с частотами ω _с, удовлетворяющими соотношению:

ω _Г – ω _c=ω _пч (22)

называются сигналами, соответствующими основному каналу приема.

Сигналы на выходе преобразователя частоты могут формироваться не только при выполнении (2.22), но и в результате действия сигналов помехи с частотами ω _п, полученными из формулы:

ω _пч=|± mω _Г ± nω _п|, m, n=0, 1, 2, …, N (23)

Равенство означает, что значение частоты, определяемое величиной модуля в (23), отличается от величины ω _пч не более, чем на половину полосы пропускания частотно- избирательной системы на выходе преобразователя. Решив (23) относительно частоты помехи ω _п, получим:

(24)

Сигналы с частотами ω _п, удовлетворяющие соотношению (24), будем называть сигналами помехи, соответствующими побочным каналам приема.

При m=1 и n=1, из (24) получим:

ω _п=ω _Г+ω _пч=ω _з (25)

При выполнении (25) побочный канал приема называется зеркальным каналом приема. В качестве иллюстрации на рис. 6 условно на частотной оси изображены сигналы гетеродина, его гармоники, а также сигналы, принимаемые по основному и побочным каналам приема.

Помеха, принимаемая по зеркальному каналу, преобразуется на равных основаниях с входным сигналом, поэтому ее подавление или эффективное ослабление должно осуществляться до преобразования частоты с помощью частотно-избирательных систем входных цепей и усилителя радиосигналов.

При m=0 и n=1 имеем: ω _п=ω _пч. Такая помеха может быть ослаблена лишь путем использования на входе усилителя радиосигналов «фильтра-пробки» с резонансной частотой ω _пч.

Борьба с сигналами, соответствующими побочным каналам приема, происходит с помощью входных цепей и усилителей радиочастоты, а также путем соответствующего выбора величины ω _пч, либо с помощью двойного и тройного преобразования частоты.

Лабораторная работа.

В преобразователях частоты происходит изменение несущей частоты колебания принимаемого сигнала. С точки зрения минимизации искажений принимаемого сигнала в процессе преобразования частоты и улучшения избирательности при наличии помех в виде мешающих гармонических сигналоа, преобразователь частоты должен быть линейным, т.е. в нем не должны появляться гармоники частоты принимаемого полезного сигнала.

Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование процесса преобразования частоты входного сигнала, выполняемого на основе:

· аналогового перемножения входного сигнала и сигнала гетеродина на дифференциальном каскаде;

· аналогового перемножения с помощью двойного балансового смесителя;

· нелинейного преобразования на диодном кольцевом балансном смесителе.

Лабораторная установка предназначена для экспериментальных исследований аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде (тип 1), двойного балансного смесителя на трех дифференциальных каскадах (тип 2), диодного кольцевого балансного смесителя (тип 3).

Установка может использоваться в автономном режиме и режиме программного управления от ЭВМ.

Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис. 2.7. На левом верхнем поле изображена структурная схема установки. На нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы. На правом поле расположен цифробуквенный дисплей с кнопками управления.

Содержание отчета.

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

· Наименование и цель работы.

· Структурные схемы, краткое описание и принципы работы исследуемых преобразователей частоты.

· Результаты измерений для 3-х типов преобразователей частоты.

ü Таблицы с результатами измерений и графики экспериментальных зависимостей u_пч от эффективного значения входного u_c. (П.1).

ü Таблицы с результатами измерений и графики экспериментальных зависимостей К_пр от частоты входного сигнала f_c (П.2).

ü Таблицы с результатами измерений уровней колебаний промежуточной частоты по основному и зеркальному каналам приема (П.3).

ü Таблицы с результатами измерений уровней колебаний промежуточной частоты по основному и побочным каналам приема. Спектрограммы для каждого значения f_Г для основного, зеркального и побочных каналов приема. При построении спектрограмм уровни u_пч нормировать к уровню u_пч основного канала (П.4).

ü Таблицы с результатами измерений уровней прямого прохождения входного сигнала с частотой f_с = f_пч = 465 кГц (П.5).

· Анализ полученных результатов.

ü Объяснить характер зависимостей u_пч= f (u_c) (п.1).

ü Провести анализ частотных свойств преобразователей частоты (п.2).

ü Сравнить уровни колебаний промежуточной частоты по побочным каналам приема (п.4) для трех типов преобразователей.

ü Оценить степень прохождения входного сигнала с частотой f_с= f_пч= 465 кГц на выход преобразователей (П.5).

9. Контрольные вопросы.

· Каковы принципы построения и схемы преобразователей частоты? В чем состоят достоинства и недостатки смесителей, выполненных по различным схемам?

· Что представляет собой эквивалентная схема преобразователя частоты?

· Как определяются внутренние параметры преобразователя частоты?

· Вследствие чего появляются побочные каналы приема при супергетеродинном приеме?

· Как определяется коэффициент преобразования, входная и выходная проводимости преобразователя частоты, смеситель которого выполнен на транзисторе?

· Какие искажения сигналов возможны в преобразователе частоты? Отчего возникают интерференционные искажения сигнала? Как выбирается промежуточная частота приемника?

· Какова методика измерения амплитудных характеристик преобразователя частоты?

· Какова методика измерения уровня колебаний промежуточной частоты по побочным каналам приема?

Список литературы.

Основная

1. Буга Н.Н., Фалько А.И., Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1986. – 320 с.

2. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов/Н.И.Фомин, Н.Н.Буга, О.В.Головин и др.; Под. ред. Н.Н.Фомина.- М.: Радио и связь, 1996.-512 с.

Дополнительная

1. Радиоприемные устройства: Учебное пособие для вузов. / Под общ. ред. Б.М. Богдановича. –М: Высшая школа., 1991. – 428 с.

2. Палшков В.В. Радиоприемные устройства. – М.: Радио и связь, 1984.-392 с.

3. Радиоприемные устройства: Учебное пособие для радиотехнических спец. вузов/Ю.Т.Давыдов, Ю.С.Данич, А.П.Жуковский и др.; Под ред.А.П.Жуковского.-М.: Высш.шк., 1989.-342с.

4. Радиоприемные устройства /А.Г.Зюко, Ю.Ф.Коробов, В.И.Левитан и др.; Под ред. А.Г.Зюко. – М.: Связь, 1975. – 399 с.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов

Санкт-Петербург, Красноярск

2000г.

Составители: Ю.В. Ветров, В.В. Исаев, С.Б. Макаров,

С.А. Подлесный, А.М. Уланов, А.А. Шипицын;

под редакцией С.Б. Макарова и С.А. Подлесного

УДК 621.396.7

Ил. Библиография.
Оглавление.

Предисловие. 4

Преобразователь частоты. 6

1. Общие вопросы. 6

2 Преобразователь частоты на основе аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде. 7

3 Преобразователь частоты на основе двойного балансного смесителя. 11

4 преобразователь частоты на диодном кольцевом балансном смесителе. 14

5. Побочные каналы приема. 17

6. Лабораторная работа. 18

6.1 Структурная схема установки. 19

6.2 Панель ручного управления. 20

6.3 Поле цифробуквенного дисплея. 21

7. Программа и порядок выполнения работы. 21

8. Содержание отчета. 24

9. Контрольные вопросы. 25

Список литературы. 26

Предисловие.

Преобразователь частоты.

1. Общие вопросы.

Преобразование частоты может быть выполнено следующими основными способами:

Преобразователь частоты на основе аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде.

Среди аналоговых перемножителей, выполненных по интегральной технологии, наибольшее распространение получили перемножители на дифференциальных парах транзисторов. В таких перемножителях используется метод «переменной крутизны», когда изменение входного напряжения, приложенного к базам дифференциальных пар транзисторов, вызывает пропорциональное изменение крутизны (передаточной динамической проводимости) транзисторов. Основным достоинством этого метода построения аналоговых перемножителей являются высокая точность, широкая полоса частот, простота реализации по интегральной технологии. Покажем, что дифференциальная пара транзисторов, управляемая напряжением, действительно является аналоговым перемножителем сигналов. На рис. 1 приведена схема такой
дифференциальной пары транзисторов.

В общем случае рассмотрим ситуацию, когда к базам транзисторов VT1, VT2 и VT3 приложены напряжения u_c(t)и u_Г(t), равные мгновенным значениям сигналов u_c(t)= U_ccosω _ct и u_Г(t)=U_Гcosω _Гt.

Выходное напряжение, равное мгновенному значению выходного сигнала смесителя, снимается с коллекторов транзисторов VT1, и VT2.

Для транзисторов VT1 и VT2 коллекторные токи определяются выражениями:

I_k1=I_y/[1+exp((u_c(t)-U)/φ _T)]; (1)

I_k2=I_yexp((u_c(t)-U)/φ _T)/[1+exp((u_c(t)-U)/φ _T)]; (2)

где φ _T=mkT/q - температурный потенциал, равный 26 мВ при 300 К (здесь q - заряд электрона, Т - абсолютная температура, m - постоянная, примерно равная 1, k - постоянная Больцмана); U - напряжение смещения дифференциальной пары транзисторов, равное:

U=U_бэ1–U_бэ2=φ _Tlnλ (3)

Здесь λ =I_эо2/I_эо1; I_эо1 и I_эо2 - тепловые токи эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT2.

При условии, что транзисторы в интегральном исполнении идентичны по своим параметрам и что коэффициент усиления тока α ₀≈ 1, при U=0 уравнения (2.1) и (2.2) можно представить в виде:

(4)

Тогда выходное напряжение u_вых(t) дифференциальной пары транзисторов равно:

(5)

При малых значениях входных сигналов (|U_c|< < φ _T) выходное напряжение u_вых(t) дифференциальной пары транзисторов равно произведению напряжения u_c(t)на величину эмиттерного тока I_y, т.е.

u_вых(t)=–R_нu_c(t)I_y/2φ _T=const∙ u_c(t) (6)

Учитывая, что I_y=I_y₀exp(u_Г(t)/φ _T), где I_y₀ - тепловой ток коллектора перехода транзистора VT3, (рис. 1), видим, что в общем случае дифференциальная пара транзисторов является нелинейным аналоговым перемножителем входного сигнала u_c(t) и сигнала гетеродина u_Г(t).

Близкой к линейной, операция перемножения получается лишь при напряжениях u_c(t) и u_Г(t), не превышающих нескольких милливольт. Кроме того, масштабный коэффициент φ _T в (6) является функцией абсолютной температуры Т.

Принципиальная схема преобразователя частоты на основе аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде приведена на рис. 2. С помощью напряжения гетеродина происходит управление работой транзисторов VT1 и VT2. Напряжение сигнала, снимаемое с катушки связи L2, управляет работой транзистора VT1. Ток коллектора транзистора VT3 равен сумме токов I_э1 и I_э2 транзисторов VT1 и VT2. Тогда, если под воздействием напряжения u_c(t) транзистор VT1 открывается и ток I_э1увеличивается, то транзистор VT2 закрывается, а ток эмиттера I_э2 уменьшается на такую же величину. Противоположные изменения токов коллекторов VT1 и VT2 в катушке L4 приводят к удвоенному, по сравнению с преобразователем частоты на транзисторе или диоде, значению ЭДС, наводимой в катушке L3.

Контур L4C2 имеет резонансную частоту, равную промежуточной частоте, например ω _пч=ω _Г – ω _с. В этом случае на выходе преобразователя частоты выделяется напряжение u_пч, равное мгновенному значению сигнала u_пч(t) промежуточной частоты.

Достоинством схемы рис. 2, помимо удвоенного значения коэффициента передачи, является подавление колебания гетеродина на выходе преобразователя частоты, так как токи с частотой гетеродина в катушке L4 направлены навстречу друг другу. По той же причине в такой схеме происходит ослабление шумов гетеродина и уменьшение степени их прохождения на вход смесителя. Как и в усилительных двухтактных схемах, в данных преобразователях частоты подавляются четные гармоники входного сигнала.

Аналоговый преобразователь частоты (рис. 2) имеет следующий недостаток. По отношению к сигналу, имеющему частоту, равную промежуточной, преобразователь (рис. 2) ведет себя как резонансный усилитель напряжения с относительно высоким коэффициентом усиления. В устройствах приема и обработки сигналов для предотвращения прохождения колебания промежуточной частоты с входа такого преобразователя на его выход применяют различные меры подавления колебания этой частоты. Например, параллельно входу подключают последовательный резонансный контур, настроенный на частоту f_пч, который выполняет роль шунтирующего контура.

12 Следующая ⇒