Преобразователи частоты (ПЧ)

Составные части ПЧ.

– Смеситель. (СМ)

– Гетеродин (Г)

СМЕСИТЕЛИ

СМ – шестиполюсник

Назначение: Изменение несущей РС при сохранении вида и закономерности модуляции.

Критерий функционирования:

Решаемые задачи: преобразование несущей РС в промежуточную качественное усиление РС на промежуточной частоте помехозащищенность по шумам, комбинационным и соседним помехам, неизменная настройка на промежуточную частоту

Показатели каскада. Критерии его работоспособности.

– Резонансный коэффициент усиления по напряжению.

– Полоса пропускания на заданном уровне отсчета

– Коэффициент избирательностипо соседней помехе

– Коэффициент сигнал/шум

– Резонанса частота настройки

– Стабильность. Сохранение работоспособности при замене полупроводникового прибора.данного и следующего каскадов, изменения параметров среды в стандартных пределах, при колебании питающего напряжения, при воздействий колебаний с большой амплитудой.

– Малые габаритные размеры и масса.

5. Структурная схема.

– Структурные элементы СМ. (рис 16, а).

ПЭ - преобразовательный элемент формирует колебания комбинационных частот из несущей PC и колебаний Г.

ПФ - полосовой фильтр обеспечивает частотную помехозащищенность.

ИП - источник питания.

m₁ -элемент связи ПФс ПЭ.

m₂ - элемент связи ПФ с УПЧ.

Функция этих элементов такая же как и в УПЧ.

УСЧ и Г – возбудители.

УПЧ - потребитель.

Варианты СМ.

– Классификация:

· По структуре схемы: однотактные и двухтактные.

· По количеству входных цепей переменного тока: одноэлектродные и двухэлектродные;

· По виду ПФ: с ДПФ, ФСС, ПКФ или ЭМФ.

· По типу ПЭ: транзисторные или диодные.

· По решаемым задачам: ПЧ, если Г совмещенный или СМ, если Г отдельный.

· По рабочему диапазону частот входного РС: ДВ, СВ, КВ, МВ, ДМВ.

· По элементной базе: на дискретных элементах или микросхеме.

– Техническое наименование каскада. В состав информации входят все классификационные элементы.

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ.

Смеситель преобразует несущую PC в промежуточную при сохранении закономерности модуляции.

Преобразовательный элемент выполняет математическую операцию перемножение проходной проводимости (крутизны S=Y₂₁) напряжение сигнала i= S(t)*U_c (1).

В цепи ПЭ действует три напряжения: U_C, U_Г, U_ПР (рис.16,6). Напряжение сигнала и промежуточной частоты. малые (U_C, U_ПР=1мкВ…1мкВ) поэтому преобразовательный элемент работает в линейном режиме S(t)=Const. Напряжение гетеродина достаточно большое, поэтому ПЭ работает в нелинейном режиме, т.е., оно изменяет крутизну ПЭ, т.э.S(U_г)≠Const.

Математическая модель АМС.

Математическая модель гетеродина.

Пусть под воздействием колебаний гетеродина крутизна ПЭ изменяется по линейному закону.

Ток в параметрической цепи(1).

После преобразования получим

Т.О. в составе тока ПЭ три переменные составляющие, несущие которых модулированы по амплитуде:

- i_c - составляющая тока PC на несущей частоте f_c;

- i_пр1 - составляющая тока первой промежуточной с несущей частотой

-i_пр2 - составляющая тока второй промежуточной с несущей

частотой

Возможно обеспечить преимущественное напряжения на ПФ одной из составляющих в зависимости от резонансной частоты его настройки.

Напряжение промежуточной частоты при настройке полосового фильтра на

Коэффициент усиления CM no напряжению

Обобщающие выводы.

– Если ВАХ ПЭ парабола, то S= ψ(Uг) - линейная функция, смеситель работает в режиме параметрического преобразования частоты, формируя минимальное количество комбинационных частот

– Если ВАХ ПЭ не парабола, то S= ψ (Uг) - нелинейная функция, смеситель работает в режиме параметрического преобразования частоты, формируя большее количество комбинационных частот

– Если исходные условия соответствуют П "б" и при этом амплитуда напряжения сигнала значительная, то СМ работает в нелинейном режиме, формируя максимальное количество комбинационных частот

– Основные параметры высокочастотного транзистора в режиме преобразования, частоты рассчитываются по формулам:

· для активных составляющих проводимости

· емкостные составляющие комплексных -Y- параметров равны в режиме усиления и преобразования частоты. Это позволяет формировать эквивалентную схему смесителя по таком же принципу как для УРЧ и использовать для анализа показателей формулы УРЧ, подставляя в них значения параметров УЭ в режиме преобразования частоты (рис.16,в).

ОДНОТАКТНЫЙ, ОДНОЭЛЕКТРОДНЫЙ, ДВУХКОНТУРНЫЙ СМ НА ТРАНЗИСТОРЕ С ЭМИТТЕРНОЙСВЯЗЬЮ ОТДЕЛЬНОГО ГЕТЕРОДИНА НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ.

(базовый вариант)

Схема каскада (рис. 16,г).

– Алгоритм исполнения схемы такой же как аналогичного каскада УПЧ. Особенность - кэмиттеру VT подключен отдельный Г через разделительный конденсатор С_э .

Примечание. В качестве ПФ может применяться ФСС, ПКФ или ЭМФ.

– Опознавание схемы;

· место подключения УСЧ-СМ-УПЧ;

· структура схемы: однотактный - одно плечо;

· количество входных цепей: одна (Б-Э)

· одноэлектродный;

· ПЭ - VT;

· ПФ-ДПФ;

· Г- отдельный, подключен к эмиттеру VT.

Наименование каскада.

– Структура схемы. Цепи СМ: ВхЦIдо(Ек—»VTбэ);

Вых ЦIко(Е_к –VТ_к-.);ВхЦ1_бmс (УСЧ→VТ_бэ);ВхЦI_km (Г→VТ_эб); ВыхЦI_kmVТ_k→ДПФ_1-4); ВыхЦI_km (ДПФ_2-3→УПЧ).

Проверка технического состояния, назначение и критерии функционирования цепи, поиск отказавшей цепы-аналогия с УПЧ.

Обеспечение оптимальных условий для работы СМ.

– Особые проблемы в процессе преобразования частоты:

· -обеспечение помехозащищенности;

· -стабильность' показателей каскада.

– Техническое решение проблемы.

Помехозащищенность.

а. По внутренним шумам:

-выбирают VT малошумящий с большой крутизной;

-применяют ПФ С П_0.7min= Ш_с

-подводят пониженное питающее напряжение на коллектор.

б. По соседним помехам: применяют ПФ с П_0.7min= Ш_с с малым значением К_u;

в. По комбинационным помехам - обеспечивают работу VT в параметрическом режиме -(малая амплитуда PC, оптимальное напряжение-Г);

выбирают ТИР на нижнем изгибе проходной ВАХ VT за счет R_б2;

оптимальная амплитуда напряжения Г определяется раствором линейного участка ВАХ VT. В этом случае ПЭ в смесителе искажает одну полуволну колебании Г, при которой амплитуда первой гармоники оказывается значительно больше высших и комбинационные составляющие с первой гармоникой имеют преимущественную амплитуду.

– Стабилизация показателей каскада

· Отдаётся предпочтение ЭМФ и ПКФ.

· Предусматривается эмиттерная стабилизация с помощью R₀.

· Подключают УСЧ и Г к различным электродам входной цепи VT смесителя для ослабления УСЧ на частоту колебаний гетеродина.

· Подводят питающие напряжение от стабилизированного источника.

Сопоставление свойств с каскадом УПЧ.

Коэффициент усиления СМ в четыре раза меньше чем УПЧ.

Остальные показатели приблизительно равные и могут рассчитываться по формулам для УПЧ.

Применение. В РПУ ДВ, СВ, КВ, МВ со средним значением реальной чувствительности в составе ТПЧ с распределённой и сосредоточенной избирательностью.

СМЕСИТЕЛИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Однотактный, одноэлектродный, двухконтурный СМ на транзисторе с истоковой связью отдельного гетеродина на дискретных элементах.

– Схема каскада (рис.17,а). Принцип исполнения схемы такой же как двухконтурного УПЧ на полевом транзисторе с ОИ.

Особенность - к истоку VT подключен гетеродин через С_И.

– Сопоставление свойств с базовым вариантом:

· меньше комбинационных помех, так как ВАХ ПТ квадратичная парабола, S(U_г)- линейная функция, поэтому в процессе параметрического преобразования частоты формируются только две комбинации

· меньше коэффициент усиления по напряжению, т.к.

– Применение. В РПУ MB с повышенной реальной чувствительностью.

Однотактный, двухэлектродный, двухконтурный СМ на двухзатворном транзисторе с отдельным гетеродином на дискретных элементах.

– Принцип исполнения схемы (рис. 17,б).

· В качестве ПЭ используется двухзатворный ПТ с квадратичной вольтамперной проходной характеристикой.

· К первому затвору VT подключён УСЧ через высокочастотный трансформатор Т₂.

· Ко второму затвору VT подключен Г через высокочастотный трансформатор T₁.

· На участке истока используется делитель напряжения из двух резисторов R_и1 и R_и2 для обеспечения различных значений напряжения смещения на первой и второй затворов V Т.

– Сопоставление свойств с базовым вариантом.

· Режим работы VT:

а. линейный по первому затвору (ТИР1малая амплитуда напряжения РС);

б. нелинейный по второму затвору (ТИР2, значительная амплитуда напряжения гетеродина).

· Меньше выходное напряжение внутреннего шума:

· Больше коэффициент избирательности по зеркальной помехе УСЧ:

· Возможность регулировки коэффициента усиления каскада по напряжению за счет изменения напряжения смещения на первом затворе.

· Выше стабильность настройки на рабочей частоте из-за слабой паразитной связи между полосовыми фильтрами Г и УСЧ.

· Меньше резонансный коэффициент усиления каскада по напряжению, так как .

· Меньше комбинационных помех, так как проходная вольтамперная характеристика ПТ -квадратичная парабола.

– Применение. В РПУ ДВ, СВ, KB, MB при повышенной реальной чувствительности, помехозащищенности и стабильности работы.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ НАДИОДАХ

Однотактный двухконтурный СМ на диоде с отдельным гетеродином.

– Принцип исполнения схемы (рис.18,а)

· В качестве ПЭ применяется высокочастотный диод (VD).

· В его цепь подключены УСЧ, ДПФ и Г с помощью высокочастотных трансформаторов T₁, Т₂, Т₃.

– Сопоставление свойств с базовым вариантом.

· Работает как параметрический преобразователь частоты с сильной обратной связью.

· Упрощенная схема.

· Меньше выходное напряжение внутреннего шума.

· Не обеспечивает усиления по напряжению.

· Ниже стабильность работы из-за сильной связи между полосовыми фильтрами УСУ, Г и ДПФ.

– Условия для применения. В РПУ СМВ, если приняты специальные меры по стабилизации частоты гетеродина.

Двухтактный (балансный), двухконтурный см на диодах с отдельным гетеродином.

(сопоставление с предыдущим каскадом)

– Принцип исполнения схемы (рис 18,б)

· В качестве преобразовательных элементов применены два высокочастотных диода с равными параметрами.

· Диоды с однополярным включением входят в состав двух симметричных, плеч.

· Гетеродин подключён в общую цепь двух плеч через Т₃, обеспечивает синфазное возбуждение.

· УСЧ подключён к плечам с помощью T₁, возбуждает плечи со сдвигом по фазе на 180°.

· ДПФ связан с плечами преобразовательной цепи с помощью Т₂.

– Особенности свойств.

· Больше помехозащищенность:

меньше выходное напряжение внутреннего шума, так как на выходе симметричной двухтактной схемы напряжение шумов гетеродина равно нулю;

двухтактная - симметричная схема создаёт меньше комбинационных помех, так как способна подавлять комбинационные составляющие, в состав которых входят четные гармоники несущей PC при нелинейном преобразовании частоты (рис. 19 а,б).

-колебания гетеродина не могут излучаться через приёмную антенну.

· Выше стабильность настройки. Нет паразитной связи между Г и УСЧ, Г и ДПФ, так как Г подключен в одну диагональ, а УСЧ и ДПФ в другую диагональ сбалансированной мостовой схемы, образованной секциями Т₁ и Т₂.

· Сложность схемы:

а. больше элементов в составе каскада;

б. необходимость балансировки высокочастотных плеч.

– Применение. В РПУ MB, ДМВ и CMВ с повышенной реальной чувствительностью, помехозащищённостью и стабильностью работы.

Двойной двухтактный (кольцевой), двухконтурный СМ на диодах с отдельным гетеродином.

– Принцип исполнения схемы (рис. 18,в).

· Основное звено - мост из высокочастотных диодов VD1....4, которые в направлении прямой проводимости образуют схему кольца.

· К одной диагонали моста 1-1 подключён УСЧ с помощью T₁.

· К другой диагонали моста 2-2 подключён ДПФ помощью T₂.

· Гетеродин связан со смесителем через средние точкиТ₁и Т₂посредством T₃.

– Структурная схема. СМ содержит два - симметричных двухтактных плеча:

· 1 плечо: VD1 и VD3;

· 2 плечо: VD2 и VD4

– Сопоставление свойств с предыдущим вариантом.

· Обеспечивает большую помехозащищённость:

а. двойная симметричная двухтактная схема создаёт меньше комбинационных помех, так как способна подавлять комбинационные составляющие, в состав которых входят чётные гармоники несущей PC или чётные гармоники колебаний Г (рис.19,в,б).

б. подавляет помеху на промежуточной частоте, так как УСЧ и ДПФ разделены сбалансированной мостовой схемой, образованной диодами.

· Сложность схемы:

а. больше элементов в составе каскада;

б. необходимость балансировки двух двухтактных - плеч.

– Применение. В РПУ ДВ, СВ, КВ, MB, если промежуточная частота входит в состав рабочего диапазона радиоприемника.

ГЕТЕРОДИН (Г)

Г - двухполюсник

Назначение. Гетеродин формирует электрические колебания гармонической формы с заданной амплитудой и радиочастотой, которые необходимы для преобразования несущей PC в промежуточную.

Критерий функционирования U_г≠0 при E=E_ном.

Показатели Г. Критерии его работоспособности.

– U_г=ψ(t) – гармоническая функция.

– U_гm=U_норм.

– .

– .

– .

Варианты гетеродинов.

– Классификация Г.

· По количеству каскадов: простые и сложные.

· По диапазону частот: ДВ, СВ, KB, MB, ДМВ.

· По принятым мерам стабилизации установленной частоты:

а. без стабилизации γ=10^-3.

б. с параметрической стабилизацией γ=10^-4.

в. с кварцевой стабилизацией γ=10^-5.

г. с комбинированной стабилизацией γ=10^-6.

· По элементной базе; на дискретных элементах или микросхеме.

Наименование. В составинформации входит назначение устройства (Г) и его классификационные элементы.

Краткая характеристика гетеродинов

Простые диапазонные Г без стабилизации частоты.

– Схемотехническое исполнение. АГ с индуктивной обратной связью, с индуктивной или емкостной трехточкой, по схеме Батлера на транзисторе или микросхеме.

– Одноручечная сопряженная перестройка колебательных контуров ТСЧ и Г в диапазоне рабочих частот обеспечивается за счетподключения в контур Г последовательного (C₁₀) и параллельного (С₁₂) конденсаторов сопряжения (рис.20,б), критерий сопряженной перестройки .

– Применение. В простейших РПУ с ручным управлением, работающих в благоприятных климатических условиях.

Простые диапазонные Г с параметрической стабилизацией частоты.

– Схемотехническое исполнение как и в предыдущем варианте, однако в Г применяют специальные элементы, обеспечивающие стабилизацию частоты от каждого изменяющегося параметра среды, источника питания и нагрузки.

– 2.2. Обеспечивается сопряженная перестройка как и в предыдущем варианте.

– 2.3. Применение в РПУ с ручным управлением, который эксплуатируется в жестких климатических условиях.

Простые диапазонные Г с кварцевой стабилизацией частоты.

– Схемотехническое исполнение АГ аналогично варианту 1, однако кварцевый резонатор является составной частью колебательного контура и определяет частоту настройки Г.

– Перекрытие рабочего диапазона частот осуществляется за счет использования гармоник и сменных кварцев.

– Применение. В РПУ с ручным управлением, который эксплуатируется в жестких климатических условиях, РПДУ имеет высокую стабильность частоты, если в процессе применения требуется оперативное изменение частоты настройки РПУ.

Простые диапазонные гетеродины со стабилизацией частоты с помощью АПЧ.

– Схемотехническое исполнение аналогично варианту 1, однако дополнительно подключена АПЧ, которая стабилизирует - промежуточную частоту РПУ при отклонении от номинала несущей частоты РПДУ и Г РПУ;

– Обеспечивается одноручная сопряженная установка рабочей частоты РПУ как и варианте 1.

– Применение. В РПУ с ручным управлением, который эксплуатируется, в жестких климатических условиях при нестабильной работе РПДУ.

Сложные диапазонные гетеродины с комбинированной стабилизацией частоты.

– Гетеродин - многокаскадное устройство - синтезатор с диапазонной кварцевой и параметрической стабилизацией частоты, формирующий сетку высокостабильных частот в рабочем диапазоне РПУ е заданной дискретностью.

– Применение. В РПУ, с помощью которых решаются оперативно ответственные задачи в жестких условиях эксплуатации при необходимости автоматической перестройки РПУ, если РПДУ имеет высокую точность установки и стабильности частоты колебаний.