Умножение и преобразование частоты сигнала

Цель работы: изучить и проанализировать принципы и процессы преобразования частоты (переноса спектра) сигналов.

Общие положения

Если на нелинейный элемент (базу транзистора) подать входной сигнал большой величины, то можно получить ток коллектора в виде последовательности остроконечных импульсов. Такой ток богат гармониками, образующими линейчатый спектр. В составе импульсного коллекторного тока будут присутствовать гармоники с частотами, кратными основной частоте возбуждения. Это позволяет использовать усилитель в качестве умножителя частоты. Для этого достаточно настроить нагрузочный колебательный контур на частоту выделяемой гармоники и установить режим работы нелинейного элемента, наиболее выгодный для подчёркивания полезной гармоники. Оптимальный угол отсечки можно рассчитывать по соотношению θ_опт = 120°/ n, где n – порядок умножения частоты.

Напряжение смещения U₀ определяется из формулы:

,

где: S – крутизна проходной характеристики транзистора, U_m – амплитуда входного сигнала, U_н – напряжение запирания активного элемента, I – ордината точки пересечения аппроксимирующей прямой с осью ординат.

Процесс преобразования частотного спектра, при котором в выходной цепи выделяется комбинационная частота (разностная или суммарная), называется преобразованием частоты. Преобразование частоты осуществляется с помощью нелинейных элементов.

Преобразователем частоты называют устройство, осуществляющее перенос спектра радиосигнала из одной области частот в другую. Так как сигнал несет в себе полезную информацию, заключенную в одном или нескольких его параметрах, то в процессе преобразования частоты эта информация должна сохраняться. Естественно, что в реальных условиях всегда имеют место искажения информации, которые не должны превосходить некоторых допустимых значений.

Этим условиям наиболее полно соответствует принцип гетеродинного преобразования частоты:

НЭ

ИС

f_c f_пр

f_г

Г

В таком преобразователе частоты сигнал f_c и колебания f_г маломощного вспомогательного генератора, называемого гетеродином (Г), одновременно воздействуют на нелинейный элемент (НЭ).

В результате на выходе нелинейного элемента (часто называемого смесителем) появляется множество комбинационных составляющих токов/напряжений с частотами:

f_к = | ± n f_г ± m f_c | ,

где n и m могут принимать значения 0, 1, 2, 3, … .

Одна из этих комбинационных частот используется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала. Эта частота называется промежуточной частотой (f_пр). Для её выделения в качестве нагрузки смесителя используют различные типы избирательных систем (ИС).

С точки зрения минимизации искажений информации при преобразовании частоты и улучшения избирательности при наличии мешающих сигналов, преобразователь частоты для сигнала должен быть линейным, т.е. в нем не должны порождаться гармоники частоты сигнала (m=1). Это условие может выполняться достаточно точно, если сигнал является «малым». При этом его размах захватывает лишь небольшой участок характеристики преобразовательного элемента и её можно считать для напряжения сигнала линейной на этом участке.

По отношению к колебаниям гетеродина нелинейность преобразовательного элемента должна проявлять себя возможно сильнее. Обычно это приводит к необходимости иметь значительную амплитуду гетеродинного напряжения. Таким образом, в подавляющем большинстве случаев выполняется условие:

U_c(t)<<U_г(t).

До тех пор, пока выполняется это неравенство, свойства преобразователя частоты не зависят от амплитуды сигнала, а определяются свойствами преобразовательного элемента, амплитудой гетеродинного напряжения и стабильностью его колебаний.

Роль нелинейных или параметрических элементов в современных преобразователях частоты выполняют биполярные и полевые транзисторы, микросхемы, диоды.

В качестве избирательной системы используются одиночные колебательные контура, двухконтурные фильтры и фильтры сосредоточенной избирательности различного вида.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему 6.1, имитирующую работу умножителя частоты колебаний.

Схема 6.1.

2. Установить параметры элементов:

2.1. Генератор синусоидального напряжения Е_г:

- амплитуда сигнала U_m = 1 В;

- частота сигнала f _с = 0.5N кГц.

2.2. Транзистор VT – идеальный.

2.3. Индуктивность Lк = 2.5 мГн.

2.4. Ёмкость Ск рассчитать так, чтобы колебательный контур в цепи коллектора был настроен на вторую гармонику сигнала f _с.

2.5. Все остальные элементы – в соответствии с номиналами на схеме.

3. С помощью пунктов меню “Analysis” → “AC freguency” снять амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики схемы в диапазоне частот от 200 Гц до 200 кГц.

4. Убедиться в правильности настройки колебательного контура Lк Ск.

5. Перенести полученную осциллограмму в отчёт. Измерить амплитуду и частоту колебаний.

6. Снять и перенести в отчёт спектрограмму сигнала на выходе (на Rн).

7. Повторить п.п. 3 – 6, настроив колебательный контур на третью и четвёртую гармоники входного сигнала.

8. Для получения осциллограммы и спектрограммы выходного сигнала без учёта влияния колебательного контура заменить нагрузку в цепи коллектора транзистора на активное сопротивление Rк = 500 Ом (схема 6.2).

Схема 6.2.

9. Снять осциллограмму и спектрограмму выходного сигнала.

10. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

11. Собрать схему 6.3, имитирующую работу смесителя колебаний.

Схема 6.3.

12. Установить параметры элементов:

12.1. Генератор синусоидального напряжения (сигнал) Е1:

- амплитуда сигнала U_mс = 0.05 В;

- частота сигнала f _с = 10N кГц.

12.2. Генератор синусоидального напряжения (гетеродин) Е2:

- амплитуда сигнала U_mг = 0.5 В;

- частота сигнала f _г = (10 + N)N кГц.

12.3. Транзистор VT – идеальный.

12.4. Индуктивность Lк = 10 / N мГн.

12.5. Ёмкость Ск рассчитать так, чтобы колебательный контур в цепи коллектора был настроен на разность частот генераторов Е2 и Е1 (f _г - f _с).

12.6. Все остальные элементы – в соответствии с номиналами на схеме.

13. С помощью пунктов меню “Analysis” → “AC freguency” снять амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики схемы в диапазоне частот от 100 Гц до 100 кГц.

14. Убедиться в правильности настройки колебательного контура Lк Ск.

15. Перенести полученную осциллограмму в отчёт. Измерить амплитуду и частоту колебания.

16. Снять и перенести в отчёт спектрограмму сигнала на выходе (на Rн).

17. Для получения осциллограммы и спектрограммы выходного сигнала без учёта влияния колебательного контура заменить нагрузку в цепи коллектора транзистора на активное сопротивление Rк = 250 Ом (схема № 6.4).

Схема 6.4.

18. Снять осциллограмму и спектрограмму выходного сигнала.

19. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Содержание отчёта

1. Исследуемые схемы.

2. Результаты вычислений и измерений.

3. Формы сигналов.

4. Графики полученных характеристик и диаграмм.

5. Результаты проведенного анализа и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое умножение частоты колебания? На чём оно основано?

2. В каких случаях требуется умножение частоты?

3. На каком принципе работает смеситель частоты колебаний?

4. В чём различие умножителя и смесителя частоты?

5. Как добиться максимальной эффективности работы преобразователя частоты?

6. Объясните назначение элементов исследуемых схем.

7. Где применяется умножение частоты и с какой целью?

8. Где применяется смеситель частоты и с какой целью?

9. Какие комбинации частот можно получить на выходе смесителя?

10. Какие частоты можно получить на выходе умножителя?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Волощук Ю.І. Сигнали та процеси у радіотехніці: Підручник для студентів вищих навчальних закладів, том 1. – Харків: Компанія СМІТ, 2003. – 580 с.

2. Волощук Ю.І. Сигнали та процеси у радіотехніці: Підручник для студентів вищих навчальних закладів, том 2. – Харків: Компанія СМІТ, 2003. – 444 с.

3. Першин В.Т. Основы радиоэлектроники и схемотехники: учебное пособие для студентов вузов / В.Т. Першин. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 544 с. – (Высшее образование).