Последовательность решения задачи

1. По вышеописанной методике находим теоретический полином ,
аппроксимирующий заданную экспериментальную характеристику, а затем
по формулам (10) и (31) вычисляем значения его производных по напряже­- нию .

;

;

;

;

;

.

Подставляя в найденные , , и значения и вычислив затем коэффициент усиления (формула 31) при наличии помехи при некоторых значениях ее амплитуды, например, при = 0, 5 и 1 В, определим искомое значение . Результаты вычислений сведем в табл. 6, 7 и 8.

 

Таблица 6

, В	0, 6	1, 0	1, 4	2, 0	2, 8	3, 2	3, 6	4, 0
	4, 055	8, 926	12, 534	16, 013	18, 873	19, 6214	20, 041	20, 30
	0, 407	-2, 219	-1, 771	-0, 705	-0, 758	-0, 530	-0, 148	-1, 09
	3, 098	1, 121	0, 095	-0, 242	0, 147	0, 103	-0, 455	-1, 796
	0, 211	0, 165	0, 118	0, 049	-0, 043	-0, 089	-0, 135	-0, 181

Таблица 7

Амплитуда помехи = 0, 5 В

, В	0, 6	1, 0	1, 4	2, 0	2, 8	3, 2	3, 6	4, 0
	4, 354	8, 444	12, 099	15, 822	18, 692	19, 493	19, 973	19, 911
	1, 073	0, 946	0, 965	0, 988	0, 99	0, 993	0, 996	0, 98

 

Таблица 8

Амплитуда помехи = 1, 0 В

, В	0, 6	1, 0	1, 4	2, 0	2, 8	3, 2	3, 6	4, 0
	7, 772	7, 993	10, 977	15, 115	16, 944	18, 219	19, 302	17, 223
	1, 916	0, 895	0, 875	0, 943	0, 959	0, 973	0, 963	0, 848

 

Таблица 9

Амплитуда помехи = 1, 7 В

, В	0, 6	1, 0	1, 4	2, 0	2, 8	3, 2	3, 6	4, 0
	36, 211	15, 865	11, 085	13, 143	16, 872	16, 792	12, 531	-2, 269
	8, 929	1, 777	0, 884	0, 820	0, 894	0, 855	0, 625	-0, 11

 

По данным (табл. 6–9) строим зависимости коэффициента блокирования в функции от напряжения смещения при двух значениях амплитуд (рис. 5). На этом же рисунке совмещены экспериментальная и теоретическая кривые, которые во всем интервале напряжения смещения практически сливаются, что свидетельствует о высокой точности аппроксимации.

Рассматривая графики (рис. 4–5), отражающие полученные результаты, делаем вывод, что расчетные данные хорошо согласуются с экспериментом и позволяют с помощью метода МКП не только определять параметры «тонкой» ( ) и «грубой» ( ) нелинейностей, но и указать оптимальный и допустимый по этим показателям режим усилителя. На рис. 6 также отражены экспериментальный Кэ и теоретический Во коэффициенты усиления, подтверждающие высокую точность аппроксимации, а следовательно, ее безупречную пригодность для последующего анализа и расчета показателей нелинейности и сведения к минимуму методической погрешности.

Рис. 6. Зависимости коэффициента блокирования δ _бл
от напряжения смещения Uзи при различных амплитудах помехи Uп

Выводы

Из рассмотрения полученных в результате расчета графиков (рис. 6)
заключаем, что допустимый режим по блокированию, при котором имеет
место приемлемое значение коэффициента усиления и допустимое блокирование (не более 20 %), соответствует интервалу смещений транзистора
2П902А U_зи = 2, 8… 3, 3 В и амплитуде помехи не более 1, 7 В.

При амплитуде напряжения помехи 1 В блокирование усилителя является допустимым во всем интервале напряжений смещения.

 

Таблица вариантов для решения первой задачи

Определить коэффициент блокирования усилителя и допустимый по блокированию режим, при котором коэффициент блокирования не превышает
20 %. При этом расчет производится при ранее выбранном оптимальном смещении по параметру Н₃.

 

Вариант	Амплитуда напряжения помехи, В	Вариант	Амплитуда напряжения помехи, В
	0–1, 0 0–1, 5 0–1, 75 0–2, 0 0–2, 25 0–2, 5 0–3, 0 0–3, 25 0–3, 5 0–4, 0		0–0, 75 0–1, 0 0–1, 25 0–1, 65 0–1, 85 0–2, 15 0–2, 2 0–2, 3 0–2, 75 0–3, 1

Таблица вариантов для решения второй задачи

Определить степени блокирования усилителя на полевом или биполярном транзисторах при различной амплитуде напряжения помехи. При этом расчет производится для заданной фиксированной амплитуды напряжения помехи во всем диапазоне напряжения смещения.

 

Вариант	Амплитуда напряжения помехи, В	Вариант	Амплитуда напряжения помехи, В
	0, 5		1, 0
	0, 55		1, 25
	0, 6		1, 3
	0, 65		1, 35
	0, 7		1, 4
	0, 75		1, 5
	0, 8		1, 75
	0, 85		1, 8
	0, 9		1, 9
	0, 95		2, 0

 

В результате полученного графика, т.е. зависимости степени блокирования δ _БЛ от напряжения на управляющем электроде транзистора [δ _БЛ = f(U_ЗИ) или δ _БЛ = f(U_БЭ)] при заданной амплитуде напряжения помехи U_П, оценить оптимальный по блокированию режим, при котором блокирование не превышает
20 %, т.е. находится в пределах .

Типовое задание «Определение параметров
нелинейности по интермодуляции и блокированию
и выбор оптимального режима преобразователя
частоты аппаратуры ВЧ связи по ЛЭП»

Задание на курсовую работу

На основе аппроксимации экспериментальной характеристики передачи транзистора в режиме резонансного усиления определить оптимальный режим по интермодуляции и блокированию преобразователя частоты аппаратуры ВЧ связи по ЛЭП.

Преобразователь и основы преобразования частоты
в радиоприемных устройствах

Преобразованием частоты называется процесс переноса сигнала данной частоты (обычно более высокой) в диапазон других (обычно более низких) частот. Этот процесс необходим в радиоприемных устройствах (РПУ), так как выделять, усиливать и в дальнейшем обрабатывать широкий перестраиваемый спектр высоких частот гораздо сложнее, чем низких частот (НЧ). Поэтому во всех РПУ различного назначения сигнал ВЧ преобразуют в сигнал НЧ, на котором дальнейшая его обработка не представляет проблем.

Схема преобразователя частоты отличается от обычного резонансного усилителя только нагрузкой, в качестве которой используют резонансный ко-лебательный контур, настроенный на требуемую гармонику НЧ, называемую в РПУ промежуточной частотой (ПЧ).

Структурная схема преобразователя частоты состоит из двух функцио-нальных узлов – смесителя (обычный резонансный усилитель) и гетеродина (перестраиваемый по частоте генератор) (рис. 7).

 

Рис. 7. Структурная схема преобразователя частоты в РПУ

В смесителе осуществляется процесс нелинейного преобразования двух ВЧ колебаний, представляющий перемножение двух ВЧ напряжений – сигнала Uс и гетеродина Uг с частотами fс и fг, в результате чего на выходе выделяется продукт нелинейного преобразования (ПНП) – разностное напряжение Uпч промежуточной частоты fпч.

U_пч = U_г – U_с; f_пч = f_г – f_с.

В профессиональных РПУ смеситель и гетеродин выполняются в виде отдельных функциональных блоков, в то время как в других РПУ широкого применения в преобразователе частоты смеситель и гетеродин совмещены в единую схему, в которой обычно частота f_г перестраивается одновременно с перестройкой частоты f_с, так что на выходе выделяется фиксированная разностная частота f_пч. Одновременная перестройка осуществляется сдвоенными
(на одной оси) конденсаторами переменной емкости, включенными в соответствующие резонансные контуры смесителя L_к и гетеродина L_г. Схема простейшего преобразователя частоты на БПТ приведена на рис. 8.

 

Рис. 8. Простейшая схема преобразователя частоты на БПТ

 

В РПУ в качестве нагрузки смесителя обычно включается полосовой фильтр с полосой пропускания на частоте ПЧ не менее ширины спектра АМ колебания (при АМ – не менее 9 кГц в режиме телефонии, при ПЧ, равной
465 кГц).

Согласно [11, 13], наиболее рационально процесс преобразования частоты рассматривать на основе упомянутого метода МКП, разработанного
И. М. Симонтовым, согласно которому преобразователь частоты представляется как усилитель промежуточной частоты (УПЧ), мгновенный коэффициент усиления которого меняется периодически в соответствии с амплитудой и частотой напряжения гетеродина (рис. 9). Фактически в преобразователе частоты имеет место тот же процесс интермодуляции с выделением ПНП, который в данном случае является полезным, а не вредным продуктом, как в случае с интермодуляцией, связанной с помехой. Следует заметить, что сам процесс усиления есть процесс нелинейного преобразования сигнала [25].

 

 

Рис. 9. К анализу нелинейных свойств преобразователя частоты
на основе метода мгновенного коэффициента передачи

Основы обобщенного анализа нелинейных явлений
в преобразователе частоты и получение
исходных формул

На основе обобщенного анализа нелинейных свойств преобразователей частоты и резонансных усилителей с использованием метода МКП в [13, 26] получены обобщенные выражения для соответствующих спектральных
составляющих частот, выделяемых нагрузкой, а также коэффициентов и параметров нелинейности для преобразователя и, как частного случая, при
Uг = 0 – для резонансного усилителя (см. стендовую лабораторную работу № 6).

Так, под суммарным воздействием мгновенных значений гармонических напряжений полезного сигнала U_с, гетеродина U_г и помехи U_п при выбранном постоянном напряжении смещения " затвор-исток" U_зи в преобразователе на полевом транзисторе (ПТ) мгновенный коэффициент передачи k(t), амплитуды спектральных составляющих нелинейного преобразования на выходе, коэффициенты и параметры, характеризующие эти составляющие, запишутся в следующем виде:

(35)

В выражениях (33–41):

U_С = U_Ccosβ _C; U_Г = U_Гcosβ _Г; U_П = U_Пcosβ _П – мгновенные значения напряжений полезного сигнала, гетеродина и помехи соответственно, а U_C, U_Г, U_П – их амплитуды; β = wt – текущая фаза соответствующего напряжения; K₁₀, K₁₁, K₁₂ – амплитуды соответствующих комбинационных (интермодуляционных) составляющих и их вторые производные периодически изменяющегося коэффициента усиления преобразователя, а U_10пр, U_11пр, U_12пр – аналогичные амплитуды выходного напряжения преобразователя, при этом U_10пр = U_ПЧ – амплитуда напряжения промежуточной частоты; K_2пр и K_{3 пр} – коэффициенты интермодуляционных составляющих второго и третьего порядков, а H_{2 пр} и H_{3 пр} – параметры нелинейности этих составляющих.

Применительно к преобразователю частоты находим соотношения для вычисления полученных ПНП на основе аппроксимации передаточной характеристики транзистора в режиме резонансного усиления.

,

где В₀ – теоретический полином, описывающий экспериментально снятую характеристику передачи (усиления) К_ус = f(U_зи), К_о – его значение при U_n = 0;

С_о = U_г( В_о^//+0, 5В₂^/ U_г² + 1/3 В₄^/ U_г⁴ + 1/4В₆^/ U_г⁶ );

С₂ = Uг ( В₂^/ + 2В₄^/ U_г² + 3В₆^/ U_г⁴ );

С₆ = U_г В₆^/ = 35/16 U_г А₇,

где Во^/, Во^//, В2^/, В2^// и т. д. – соответственно, первые и вторые производные
от Во, В2 и т.д.

На основании приведенных формул находятся искомые коэффициенты и параметры нелинейности, ответственные за образование упомянутых вредных интермодуляционных помех, нарушающих прием полезного сигнала, а также блокирование этого сигнала помехой большого уровня, которая усугубляет вредное действие интермодуляции путем изменения самого коэффициента усиления. Окончательные формулы, обобщенные для преобразователя и усилителя, имеют вид:

;

;

;

Выбор оптимального по нелинейным явлениям режима

Оптимальным считается такой режим, при котором достигается максимально возможный коэффициент усиления К ≈ В₀ при минимально возможных параметрах нелинейности Н₂, Н₃. Кроме того в таком выбранном режиме возникает необходимость проверки усилителя или преобразователя на соответствие нормам блокирования. Согласно нормативным документам, коэффициент блокирования (степень блокирования δ _бл) под действием помехи не должен превышать 20 %, т.е. лежать в пределах δ _бл = 0, 8–1, 2 при допустимой амплитуде напряжения помехи U_п.

В преобразователе выбор упомянутого режима более сложен, так как ПНП любого порядка зависят не только от режима по постоянному току (U_зи) и амплитуды напряжения помехи U_п, но и от амплитуды напряжения гетеродина [7]. Поэтому важно выбрать такие напряжения гетеродина U_г и смещения на управляющем электроде усилительного прибора (затворе U_зи, базе U_бэ), при которых достигается максимально возможный коэффициент преобразования К_пр при минимальных эффектах нелинейности (интермодуляция, блокирование и др).

Методика определения оптимального режима

Таким образом, методика определения оптимального режима по нелинейным явлениям в преобразователе частоты сводится к следующему.

1. Аппроксимируется полиномом седьмой степени экспериментальная зависимость коэффициента усиления от напряжения смещения на управляющем электроде усилительного прибора, т.е. К = f (U_см), снятая при реально рекомендуемом значении сопротивления нагрузки R_н.

2. В аппроксимируемом интервале значений напряжения смещения определяются коэффициенты В₂, В₄, В₆ и их первые производные, с помощью которых вычисляются зависимости С_о, С₂, С₄, С₆, К₁₀, Н₃, k₃ и δ _бл в функции от амплитуды напряжений гетеродина U_г, равные 0, 1; 0, 14; 0, 2; 0, 28; 0, 4; 0, 5; 0, 707; 1, 0; 1, 2; 1, 5; 1, 7; 2, 12; 2, 82; 3, 53 В. В результате должны быть получены зависимости H₂, H₃, δ _бл в функции от смещения U_см, подобные полученным экспериментально в [27], на основании которых выбирается искомый оптимальный по нелинейным эффектам режим. При этом допустимый по блокированию режим проверяется при амплитудах помех, равных 0, 5; 0, 7; 1; 1, 5 и 1, 7 В для полевых транзисторов, т.е. в диапазоне смещения U_зи работы транзистора (рис. 10).

 

Рис. 10. Графики показателей нелинейности в преобразователе частоты
при амплитуде напряжения гетеродина 1 В на промежуточной частоте 10 МГц

 

Варианты для расчета параметров Н2 и Н3 необходимо взять из п. 6.3 (вариант транзистора), а блокирование оценивать из данных вариантов п. 6.4 при условии, что вместо амплитуды помехи U_п брать амплитуду напряжения гетеродина Uг в указанных пределах значений в таблице 4.

Для решения второй задачи по оценке блокирования рассчитывать зависимости коэффициента блокирования в функции от напряжения смещения при вышеуказанных амплитудах напряжений гетеродина.

Из рассмотренных при анализе соотношений следует, что коэффициент передачи (коэффициент преобразования) преобразовательного каскада, называемый в литературеК_пр = 0, 5 К₁₀, при прочих равных условиях в четыре раза меньше коэффициента усиления этого же каскада в режиме резонансного усиления (К_пр = 0, 25 К) [11].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. О проекте отраслевого стандарта «Системы автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа»: Проблемы информатизации высшей школы / Ю.В. Арбузов [и др.]. – Вып. 3–4. – 1997. – С. 65–72.

2. Новый подход к инженерному образованию: теория и практика откры-того доступа к распределенным информационным и техническим ресурсам /
Ю.В. Арбузов [и др.]; под ред. А.А. Полякова. – М.: Центр-Пресс, 2000. – 238 с.

3. Основы промышленной электроники / Исаков Ю.А. [и др.]. – К.: Техника, 1976. – 544 с.

4. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей / А.Ф. Белецкий. – М.: Радио и связь, 1986. – 544 с.

5.Харкевич А.А. Основы радиотехники / А.А. Харкевич. – 3-е изд., стер. – М.: Физматлит, 2007. – 512 с.

6. Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники / Л.Р. Нейман,
П.Л. Калантаров. – Л.: Госэнергоиздат, 1959. – Ч. 2. – 444 с.

7. Харкевич А.А. Торетические основы радиосвязи / А.А. Харкевич. – М.: Гос. изд. техн.-теор. лит., 1957. – 348 с.

8. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. пособие для вузов / под ред. К.А. Самойло. – М.: Радио и связь, 1982. – 528 с.

9. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С. Гоноровский. – М.: Радио и связь, 1986. – 512 с.

10. Патокин Е.И. Электротехника и основы электроники. Лабораторные работы / Е.И. Патокин. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – 203 с.

11. Радиоприемные устройства / под ред. А.Г. Зюко. – М.: Связь, 1975. – С. 284–290; 400 с.

12. Тихонов А. И. Устройства контроля нелинейных параметров усилителей высокочастотных каналов в линиях электропередачи: Сб. «Энергетика на рубеже веков» / А.И. Тихонов, А.В. Бубнов, И.И. Семенов / под ред.
В.Н. Горюнова. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2003. – С. 153–159.

13. Симонтов И.М. Анализ нелинейных явлений в преобразователях частоты и резонансных усилителях / И. М. Симонтов, А.И. Тихонов // Техника средств связи. – Сер. ТРС, 1978. – Вып. 10 (26). – С. 11–23.

14. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов /
Я.А. Федотов. – М.: Сов. Радио, 1963. – 512 с.

15. Тараторкин Б.С. Электронные устройства судовой автоматики /
Б.С. Тараторкин. – Л.: Судостроение, 1981. – 248 с.

16. Тихонов А.И. Информационно-измерительная техника и электроника: учеб. пособие по курсу лекций / А.И. Тихонов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 309 с.

17. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители: справочное пособие по применению / Б.К. Нестеренко. – М.: Энергоиздат, 1982. – 128 с.

18. Малышев А.И. Специальные измерения высокочастотных каналов по линиям электропередачи / А.И. Малышев, Ю.П. Шкарин. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 336 с.

19. Богданович Б.М. Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах / Б.М. Богданович. – М.: Связь, 1980. – 279 с.

20. Справочник по радиоэлектронным устройствам: в 2-х т. / под ред.
Д.П. Линде. – М.: Энергия, 1978. – Т. 1. – 440 с.

21. Тихонов А.И. Информационно-измерительная техника и электроника: учеб. пособие по выполнению курсовых работ (проектов) и индивидуальных заданий / А.И. Тихонов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 168 с.

22. Ишкин В. Х. Высокочастотная связь по линиям электропередачи
330–750 кВ / В.Х. Ишкин, И.И. Цитвер. – М.: Энергоиздат, 1981. – 208 с.

23. Заездный А.М. Основы расчетов нелинейных и параметрических радиотехнических цепей / А.М. Заездный. – М.: Связь, 1973. – 448 с.

24. Бруевич А.Н. Аппроксимация нелинейных характеристик и спектры при гармоническом воздействии / А.Н. Бруевич, С.И. Евтянов. – М.: Сов. Радио, 1965. – 344 с.

25. Радиоприемные устройства / под ред. В.И. Сифорова. – М.: Сов. радио, 1974. – 560 с.

26. Тихонов А.И. Анализ и разработка высоколинейных преобразова­телей и усилителей радиочастоты на транзисторах: дис. … канд. техн. наук /
А.И. Тихонов. – Омск, 1985. – 278 с.

27. Тихонов А.И. О выборе режима преобразователей частоты на поле-вых транзисторах / А.И. Тихонов // Труды учебных институтов связи. Системы и средства передачи информации по каналам связи. – Л.: Изд-во ЛЭИС, 1979. – С. 109–113.

Учебно-практическое издание
к выполнению лабораторных работ и индивидуальных заданий

Тихонов Анатолий Иванович

Бирюков Сергей Владимирович

Бубнов Алексей Владимирович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
И ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
И УСТРОЙСТВА

 

 

Практикум

 

Авторы выражают огромную инженеру Бабикову М. В.
за техническую помощь при подготовке рукописи к изданию.

 

Редактор Е. С. Воронкова

Компьютерная верстка – Е. В. Беспалова

 

ИД № 06039 от 12.10.2001 г.

 

Сводный темплан 2010 г.

Подписано в печать 13.12.10. Формат 60× 84 ¹/₁₆. Бумага офсетная.

Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 16, 0. Уч.-изд. л. 16, 0.

Тираж 100 экз. Заказ 693.

_________________________________________________________

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12

Типография ОмГТУ

⇐ Предыдущая45678910111213

Поделиться: