ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

чение индуктивности Lсв рассчитывается так, чтобы ее сопротивление на резонансной частоте с было равно 0.

Контур, состоящий из катушки индуктивности Lк и конденсатора Cк, настраивается на частоту fc и на частоте fг имеет достаточно малое сопротивление индуктивного характера, т.к. fс>fг.

В этих условиях напряжение с частотой сигнала и гетеродинное напряжение оказываются приложенными между затвором и истоком транзистора VT.

Контур в стоковой цепи выделяет полезный сигнал со средней частотой fc–fг и должен иметь полосу пропускания F не меньше, чем ширина спектра принимаемого сигнала, т.е. F≥2Fн.

Преобразование сигнала производится для облегчения дальнейшей обработки и усиления сигнала. Обработку и усиление сигнала почти всегда проще производить на низкой частоте. По этой причине промежуточная частота всегда ниже несущей.

1.4 Амплитудная модуляция

Как ранее было отмечено, модулированное по амплитуде колебание может быть получено в результате перемножения несущего и модулирующего колебаний с последующим выделением резонансной системой сигнала требуемой спектральной области. Для этого к выходу перемножителя подключается резонансная система, настроенная на несущую частоту и имеющая полосу пропускания не меньше, чем ширина спектра АМ колебания.

Для практической реализации схем амплитудных модуляторов следует иметь в виду, что подход к построению модуляторов может быть существенно различным.

а) Часто модуляция по амплитуде используется в различных измерительных устройствах, работающих с малыми по уровню мощности сигналами. Чтобы получить экономичный режим, используют схему на базе микросхем перемножителей аналоговых сигналов (ПАС), специально разрабатываемых для этих целей.

б) Если модулятор работает с большими амплитудами колебаний, то его коэффициент полезного действия (КПД) определяет КПД всего устройства. В этом случае модулятор проектируют на базе дискретных элементов и стремятся обеспечить максимальный КПД.

Применение дискретных элементов оправдано в тех случаях, когда требуется работать на высоких частотах, где микросхемы не работают.

11

Существует много схем амплитудных модуляторов. Но большинство из них могут быть условно разделены на два типа по способу подачи модулирующего колебания:

если модулирующий сигнал подается в цепь управляющего электрода, то модуляция называется базовой или затворной;

если модулирующее напряжение подается в цепь выходного электрода, то модуляция называется коллекторной (стоковой).

Коллекторная модуляция обеспечивает больший КПД, чем базовая. Однако для ее осуществления требуется более мощный источник модулирующего колебания.

Рассмотрим схему базового модулятора и принцип его работы (рисунок 1.6).

Um

Рисунок 1.6 – Схема базового модулятора

Между базой и эмиттером транзистора действует сумма трех напряжений: постоянного напряжения смещения Eсм, напряжения несущего колебания Uн(t)=Um(t)cosωнt и модулирующего сигнала UΩ(t).

12

Если UΩ(t) – гармоническая функция, то напряжения между базой и эмиттером меняются, как показано на рисунке 1.7. Поскольку уровни входных сигналов достаточно велики, проходная ВАХ транзистора аппроксимируется линейно-точечной линией.

Рисунок 1.7 – Изменение напряжения между базой и эмиттером

При этих условиях построен график зависимости коллекторного тока от времени. Контур в коллекторной цепи настроен на частоту несущего колебания, т.е. реагирует только на первую гармонику импульсов коллекторного тока.

Рассмотрим схему коллекторного модулятора (рисунок 1.8).

Um

Рисунок 1.8 – Принципиальная схема коллекторной модуляции

13

Модулирующее напряжение приложено между коллектором и эмиттером транзистора последовательно с напряжением источника питания (рисунок 1.9). В результате в такт с изменением напряжения Um(t) меняется мгновенное значение коллекторного напряжения, и соответственно перемещается нагрузочная прямая на выходных характеристиках.

а – исходное положение при Um=0 и крайние положения нагрузочной кривой; б – осциллограммы коллекторного тока для различных мгновенных значений напряжения на коллекторе

Рисунок 1.9 – Результат изменения коллекторного напряжения

Модуляционной характеристикой для рассматриваемой схемы является зависимость Ik1m от напряжения «коллектор-эмиттер», представленная на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – Модуляционная характеристика схемы

14

ЛЕКЦИЯ 2. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Детектирование электрических сигналов обеспечивает выделение сообщения из сигнала и устранение несущего высокочастотного (ВЧ) колебания, являющегося переносчиком сообщения. Для реализации процесса выделения сообщения используются детекторы сигналов.

2.1 Детекторы сигналов

В соответствии с видом модуляции различают детектирование сигналов модулирования по амплитуде А, частоте f или фазе φ.

Спектр выходного колебания детектора лежит в области низких частот (частот модуляции), а спектр входного – в области высоких частот (несущая частота сигнала).

Такая трансформация возможна в устройствах, имеющих нелинейные или параметрические элементы. Роль таких элементов выполняют диоды, реже – транзисторы.

Выделение области частот модуляции и устранение высокочастотных составляющих спектра осуществляется фильтрами низких частот (RC- или RLC-фильтрами).

Основой для любого детектора является его детекторная характеристика, представляющая собой статическую зависимость выходного эффекта (обычно U) от информационного параметра входного сигнала. Например:

– для амплитудного детектора U (U0 ) или U (U0 ) ;

– для фазового детектора U ( ) const ;

U0

– для частотного U ( f ) const ,

U0

где U или U – настоящая составляющая и приращение постоянной составляющей напряжения на нагрузке детектора соответственно;

U0, φ, f – амплитуда, фаза и частота входного сигнала соответственно.

Процесс детектирования сопровождается неизбежными частотными, фазовыми и нелинейными искажениями.

Наиболее полное представление о частотных и фазовых искажениях дают амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики детектора, т.е. зависимости UΩ(Ω), φΩ (Ω), где UΩ – амплитуда напряжения с частотой Ω на нагрузке детектора; Ω – угловая частота моду-

15

ляции; φΩ – сдвиг по фазе одинаковых частотных составляющих в спектре выходного колебания.

Нелинейные искажения определяются видом детекторной характеристики. Они тем меньше, чем линейнее детекторная характеристика.

2.2 Амплитудные детекторы

Во-первых, следует сразу отметить, что качественные показатели детекторов зависят от амплитуды сигнала. Методы расчета наиболее полно разработаны для «слабых» и «сильных» сигналов.

Начнем изучение с последовательного диодного детектора (рису-

нок 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема последовательного диодного детектора

На рисунке 2.1 Uвх – входное, высокочастотное напряжение, снимаемое с контура усилительного каскада, к которому подключен детектор; E0 – начальное напряжение смещения, подбором которого можно выбирать рабочую точку на ВАХ диода; RC – нагрузочная цепь (фильтр), с которой снимаются мгновенные значения напряжения U на диоде и тока i через диод.

Диод VD и нагрузочная цепь включены последовательно, поэтому значение тока в любой момент времени t может быть найдено из системы уравнений:

где ZRC – коэффициент пропорциональности между величинами i и U (комплексное сопротивление).

Первое уравнение системы (2.1) – это уравнение ВАХ.

16

В режиме покоя Uвх=0; i=I_=In; ZRC=R; URC=U.

При этом второе уравнение выражения (2.1) превращается в

для режима покоя можно изобразить следующим образом. Оно дает положение исходной рабочей точки (точки покоя на ВАХ диода с ко-

ординатами In, Un).

Переменное напряжение U~ появляется одновременно с приложением напряжения Uвх в начальный момент времени t, суммируется с напряжением Un (положение 1).

Благодаря нелинейности ВАХ диода, кривая тока через него не имеет синусоидального характера, ее положительные полуволны вытягиваются, а отрицательные – сжимаются.

При этом в составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая через резистор R, создает на нем падение постоянного напряжения, смещающего положение рабочей точки диода влево. Стационарное положение в этом случае будет в точке, обозначенной Z.

Полезный эффект детектирования по напряжению

U Un1 Un ,

где Un1 новая абсцисса рабочей точки при наличии Uвх.

Такое же по значению приращение напряжения, но противоположного знака снимается с нагрузочного сопротивления и является выходным сигналом детектора.

Всоответствии с рисунком 2.2 увеличение амплитуды входного напряжения вызывает дальнейшее приращение постоянного напряжения на нагрузке и смещение рабочей точки влево. При этом ток через диод все больше приближается по форме к односторонним импульсам при положительных пиках входного напряжения, открывающих диод. Работа диода приобретает ключевой режим работы (диод открыт, диод закрыт).

Впромежутках между пиками входного напряжения диод поддерживается в закрытом состоянии напряжением на конденсаторе C,

равным URC. Форма выходного напряжения определяется процессами зарядки и разрядки конденсатора C. Причем, в силу нелинейности цепи, т.е. сопротивления диода R, для положительных полуволн входное

17

напряжение меньше, чем для отрицательных. Процесс заряда происходит быстрее (рисунок 2.3).

Рисунок 2.2 – Схематичное изображение процесса детектирования

Рисунок 2.3 – Форма выходного напряжения детектора

Сформулируем требования к нагрузочной цепи:

а) напряжение Uвх должно быть почти полностью приложено к диоду; для этого С>>Сд (емкость C р-n перехода);

б) τp=( Ri ||R)C>>Tω, τp=( Ri ||R)C>>τ3,

18

где τp, τ3 – постоянные времени заряда и разряда;

Ri , Ri – сопротивление диода для положительных и отрицатель-

ных полуволн;

Tω – период напряжения U частоты ω.

Соотношение p>>Tω позволяет считать рабочую точку неподвижной даже при наличии входного переменного напряжения. При этом URC U_. Зависимость полезного эффекта детектирования U_ от амплитуды приложенного напряжения U0 определяется детекторной характеристикой.

Если входной сигнал имеет амплитудную модуляцию с глубиной m и частотой Ω, а напряжение на нагрузке успевает следить за изменениями амплитуды входного сигнала, то эффект детектирования U_ становится функцией времени и повторяет закон модуляции входного сигнала (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Форма выходного сигнала детектора

Возможны, конечно, нелинейные искажения.

На практике используются следующие виды амплитудных детекторов:

а) импульсный детектор – детектирование радиоимпульсов с целью выделения огибающей каждого из них;

б) пиковый детектор – детектирование последовательности радиоимпульсов, с целью выделения ее огибающей;

в) детектор видеоимпульсов – детектирование последовательности видеоимпульсов с целью выделения ее огибающей.

2.3 Фазовые детекторы

Фазой гармонического колебания является аргумент синусоидальной или косинусоидальной функции, описывающей это колебание.

19

В общем виде:

U Ucos[0t (t) нач ],

где ω0t – линейно-нарастающая фаза;

φ(t) – функция, отображающая фазовую модуляцию; φнач – начальная фаза, т.е. фаза при условиях t=0, φ(t)=0.

Требуется выделять информацию, содержащуюся в зависимости функции φ(t).

В фазовых детекторах для компенсации фазы ω0t используется специальное генерируемое гармоническое опорное колебание с частотой, равной центральной частоте сигнала, и с начальной фазой, обеспечивающей наилучшие условия выделения зависимости функции φ(t). Начальная фаза может быть различной в различных вариантах конкретного выполнения детектора.

Выражения детекторных характеристик для различных фаз детекторов зависят от многих факторов. Основные из них:

способ введения опорного напряжения U;

схема построения детектора.

По этим признакам различают фазовые детекторы векторомерного и коммутационного типов.

Принцип работы фазовых детекторов векторомерного типа основан на образовании векторной суммы опорного и сигнального напряжений. Результирующее напряжение, амплитуда которого зависит от фазового сдвига между опорным и сигнальным напряжением, подвергается амплитудному детектированию, в результате чего выделяется цифровая составляющая сигнала.

Фазовые детекторы коммутационного типа основаны на том, что в состав такого детектора обычно входят два ключа, включенных таким образом, что опорное напряжение подается на них синфазно. При этом в зависимости от соотношения фаз опорного и сигнального напряжения будут изменяться постоянные составляющие токов коммутируемых элементов ключей.

2.4 Частотные детекторы

В частотных детекторах сигнал с частотной модуляцией (ЧМ) преобразуется в сигнал с амплитудной модуляцией (АМ) с последующим применением соответствующего детектора.

Рассмотрим разновидности детекторов с частотной модуляцией.

2.4.1 Частотные детекторы с амплитудным преобразованием частотной модуляции

Принцип действия основан на том, что при прохождении колебаний с частотной модуляцией через дифференцирующую цепь выход-

20