книги / Основы радиоэлектроники
..pdfчастоте повторения импульсов и в непрерывном режиме. При длине стержня 15 см и диаметре 1 см выходная мощность в не прерывном режиме достигает 2 кВт. Накачка импульсных ОКГ на ИАГ осуществляется импульсными ксеноновыми лампами. В случае создания ОКГ с непрерывным режимом работы ис пользуются вольфрамовые лампы накаливания или криптоновые дуговые лампы. В стадии лабораторных исследований и развития находятся жидкостные ОКГ.
Химическим ОКГ приписывают практическое использование в самом ближайшем будущем. Они работают без электрического питания: за счет энергии химической реакции с водородом возникает инверсия населенностей уровней. Выходная мощность достигает 4,5 кВт в непрерывном режиме и 1,2 ГВт в им пульсном.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К ГЛАВЕ 6
1.Укажите классификацию генераторов.
2.Опишите автогенератор как нелинейный усилитель с положительной об ратной связью. Что такое баланс амплитуд и фаз в автогенераторе?
3.Каковы условия самовозбуждения автогенератора?
4.Нарисуйте схему и объясните принцип действия RC автогенератора гармо нических колебаний.
5.Нарисуйте схемы и объясните принцип действия LC автогенератора гар монических колебаний.
6.Какие особенности релаксационных генераторов вы знаете?
7.Нарисуйте схему и объясните принцип действия блокинг-генератора.
8.Нарисуйте схему и объясните принцип действия мультивибратора.
9.Нарисуйте схему и объясните принцип действия диодного генератора сверхвысоких частот.
10.Расскажите принципы действия пролетного клистрона и клистронного генератора и области их применения.
11.Расскажите принцип действия магнетрона и области его применения.
12.Объясните принципы действия лазеров и области их применения.
13.Определите амплитуду стационарных колебаний в автогенераторе по заданной амплитудной характеристике усилителя и коэффициенту обратной связи при мягком режиме возбуждения.
14.Определите амплитуду стационарных колебаний в автогенераторе по заданной зависимости коэффициента усиления от амплитуды входного напряже ния усилителя и коэффициенту обратной связи при жестком режиме возбуждения.
Г Л А В А 7
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ
§7.1. Виды преобразований сигналов
Впроцессе передачи информации от источника информации
кпотребителю управляющие сигналы и радиосигналы подверга ются различным преобразованиям.
Ктаким преобразованиям относятся: получение модулиро ванных колебаний, детектирование радиосигналов, преобразова ние частоты радиосигналов, умножение частоты, ограничение амплитуды колебаний, дифференцирование и интегрирование сигналов.
Получение модулированных колебаний— модуляция— осу ществляется в специальных устройствах-модуляторах, на два входа которых подается управляющий сигнал мупр(0 и гармони ческое несущее колебание мн.с(/), а на выходе появляется моду лированное колебание имод(/)(рис. 7.1). Спектр управляющего сигнала мупр (t) содержит только низкочастотные составляющие, (например, частоты) Пь П2>П3 (рис. 7.2), спектр несущего сиг
нала мнес(/) содержит |
одну |
составляющую на частоте |
со0 |
||
|
|
(рис. 7.2), а в спектре модулиро |
|||
|
а / |
ванного колебания нет низкоча- |
|||
|
стотных составляющих, но появ- |
||||
Uynpfc)Д. МоЗулятор ■*> мо° |
ляются боковые составляющие на |
||||
Рис. 7.1 |
|
частотах, близких к несущей час |
|||
|
тоте юнсс. Спектр амплитудно-мо- |
||||
|
|
дулированного |
колебания в |
рас |
|
Un |
|
сматриваемом |
случае |
приведен |
|
7771 |
|
на рис. 7.3. Таким образом, в мо |
|||
|
|
||||
|
|
дуляторе должны появиться но- |
|||
1_ ------------- 1-------------► вые спектральные составляющие |
|||||
ио |
и |
на частотах |
соо + Пь |
co0i ^ 2> |
|
Рн^ 72 |
|
а>0± ^ з и должны быть подавле- |
|||
ны низкочастотные составляю |
|
|
|
||||||
щие. |
|
|
|
|
|
|
|
|| |
|
При детектировании колеба- |
|
|
|||||||
ний на вход специального уст- |
|
J.V.\ |
|
||||||
ройства-детектора (иногда на- |
|
эз зз ?55 |
|
||||||
зываемого |
демодулятором)— |
|
з^з |
|
|||||
подается модулированное коле |
|
|
|
||||||
бание ммод(0» спектральный со- |
|
Рис.7.3 |
|
||||||
став которого содержит как со |
|
|
|
||||||
ставляющую на несущей часто |
|
|
|
||||||
те, так и боковые состав |
УмодШ I |
Детектор |
1оивыхШ~ |
||||||
ляющие. На |
выходе |
детектора |
(бемоЭулятор) |
—о'Uynp(t) |
|||||
должен появиться только проде- |
|
|
|
||||||
тектированный |
сигнал, пропор |
|
Рис. 7.4 |
|
|||||
циональный управляющему сиг |
|
|
|
||||||
налу мупр(0 (рис. 7.4), спектр ко |
k(m |
|
|
||||||
торого |
содержит |
низкочастот |
|
|
|
||||
ные составляющие, отсутствую |
|
|
|
||||||
щие в спектре высокочастотного |
S2JS22S23 |
|
|
||||||
радиосигнала. |
Таким |
образом, |
|
|
|||||
|
|
|
|||||||
в детекторе |
должны |
появиться |
|
Рис. 7.5 |
|
||||
новые |
низкочастотные |
спект |
|
|
|
||||
ральные составляющие и долж |
|
Преобразователь |
|
||||||
ны быть подавлены высокочас |
4 tJl |
|
|||||||
частоты |
|
||||||||
тотные |
составляющие. |
На |
|
рис#7^ |
|
||||
рис. 7.5 |
приведен |
спектр |
управ- |
|
|
||||
ляющего сигнала на выходе де тектора амплитудно-модулированных колебаний, спектр кото рых изображен на рис. 7.3.
При преобразовании частоты радиосигналов на два входа специального устройства — преобразователя — подаются вход ное модулированное колебание имод1(0 с несущей частотой со0 и гармоническое колебание ur(t) с частотой сог, а на выходе получается колебание uMoa2(t) с несущей частотой сог —со0 или ©г + ©0 и с тем же законом модуляции, что и у входного модули рованного колебания мМ0д1 (t) (рис. 7.6). Спектр входного ампли- тудно-модулированного колебания, спектральная составляющая гармонического колебания с частотой сог и спектры преобразо ванных колебаний изображены на рис. 7.7. На выходе преоб разователя должны быть подавлены все составляющие, кроме
интересующего нас спект |
|
|
|
ра модулированного |
ко- |
|
|
лебания, например, с |
не |
|
|
сущей частотой со г —©о |
|
|
|
(рис. 7.8). |
|
Ur'u° |
и° "г |
При умножении часто- |
|||
ты гармонических колеба- |
|
Рис. 7.7 |
|
|
|
ний на вход специального уст |
||||||||
|
|
ройства— умножителя |
часто |
|||||||
lxi_ |
|
ты — подается |
гармоническое |
|||||||
|
колебание |
на |
|
частоте |
|
|||||
|
|
(рис. 7.9), спектр которого при |
||||||||
|
Рис. 7.8 |
веден на рис. 7.10, а на выходе |
||||||||
|
появляется |
гармоническое |
ко |
|||||||
|
|
лебание на частоте «о»!, все |
||||||||
UgCOSUt j |
Умножитель | UjCosnut |
остальные |
спектральные |
со |
||||||
|
частоты |
ставляющие, в том числе на ча |
||||||||
|
|
стоте входного |
|
колебания |
coj, |
|||||
|
Рис. 7.9 |
подавляются (рис. 7.11). |
|
|
||||||
|
|
Для |
|
всех |
рассмотренных |
|||||
|
|
выше |
преобразований |
сигна |
||||||
|
|
лов: модуляции, |
детектирова |
|||||||
|
|
ния, преобразования и умноже |
||||||||
|
|
ния частоты |
характерно |
появ |
||||||
|
|
ление в спектре сигналов новых |
||||||||
|
Рис. 7.10 |
спектральных |
составляющих, |
|||||||
|
которых |
не |
было |
в спектре |
||||||
|
|
|||||||||
um i |
|
входных |
сигналов. |
Такое |
ус |
|||||
|
|
|||||||||
|
fUJj |
ложнение спектрального соста |
||||||||
|
ва колебаний удается получить |
|||||||||
|
Рис. 7.11 |
с помощью нелинейных элеме |
||||||||
|
|
нтов *, |
поэтому |
модуляторы, |
||||||
|
|
детекторы, преобразователи и |
||||||||
|
|
умножители |
частоты, а |
также |
||||||
|
|
ограничители амплитуды коле |
||||||||
|
|
баний должны содержать нели |
||||||||
|
Рис. 7.12 |
нейные |
|
элементы: диоды |
или |
|||||
|
транзисторы. Поскольку на вы |
|||||||||
|
|
|||||||||
ходе рассматриваемых устройств нас интересуют только опре деленные спектральные составляющие, а остальные спектраль ные составляющие должны быть подавлены, эту задачу уда ется решить с помощью фильтров. Таким образом, обобщенная схема нелинейного преобразования сигналов должна содер жать нелинейный элемент, на который воздействуют одно вход ное напряжение «вх1 (/) в случае детектора и умножителя часто ты или два входных напряжения uBXl (t) и ивх2(/) в случае мо дулятора и преобразователя частоты. На выходе нелинейного элемента должен быть включен фильтр, выделяющий необходи мые спектральные составляющие выходного сигнала uBUX(t) (рис. 7.12).
* Усложнение спектрального состава колебаний можно получить также в ли нейных цепях с периодически меняющимися параметрами /?(/), L (t\ С(/)- Такие цепи называются также параметрическими.
§ 7.2. Амплитудная и частотная модуляции
Амплитудная модуляция
Получение амплитудно-модулированных колебаний, детекти рование этих колебаний, преобразование и умножение частоты можно проанализировать с помощью двухполюсного нелиней ного элемента— диода, вольт-амперная характеристика которо го аппроксимируется простейшим нелинейным полиномом вто рой степени i= a0-\-aiU+ a2u2 (см. главу 2). Если на такой элемент подать сумму напряжений управляющего сигнала мупр(0 и несу щего колебания Umcos(o0t
u = uynp(t)+Umcosw0t,
то ток через нелинейный элемент будет содержать составляющие (рис. 7.13)
i= a0 + a luynp(t) + ai Umcos(o0t + a2u2np(t) + 2a2uynp Umcosco0f+
+ a2 U icos2<at.
Можно выделить составляющие тока вблизи частоты со0
Д/= a i Umcos со01 + 2^2мупр (/) Umcos со01=
=а !Um^1+ ^ и>пр( / ) ) cos toо / = /а„ (О C O S 0)о t,
которые создадут напряжение амплитудно-модулированного колебания мам(/) на выходе полосового фильтра — параллель ного контура, настроенного на частоту ш0. При квадратичной аппроксимации ВАХ нелинейного элемента изменение ам
плитуды IaM(t) = aiUm(\ + — Нупр(о) тока А/ точно соответствует
управляющему напряжению uynp(t). Если же напряжение и столь велико, что для аппроксимации /(й) недостаточно использовать полином второй степени, и необходимо рассматривать также третью, четвертую и другие степени напряжения и, то амплитуда AM колебания определяется не только упр (г), но также м упР ( 0 и т. д. Появляются нелинейные искажения амплитудной модуляции. Каждая спектральная составляющая тока А/ на
частоте |
со |
создает |
на параллельном |
контуре напряжение |
|||||
Ut= |Zk(со)11т(со). |
Поскольку |
со |
|
|
|
||||
противление контура |
зависит |
от |
|
|
|
||||
частоты, |
боковые |
составляющие |
(tj |
|
|||||
AM колебания будут |
иметь |
тем |
X |
||||||
& ]упр[ |
|
||||||||
меньшую амплитуду напряжения, |
C0S6JL* |
I |
|||||||
чем больше их частота со = со0+ П, |
|||||||||
0 * 4 |
|
||||||||
отличается |
от частоты несущего |
|
|
р„с 7ЛЗ |
|||||
колебания. |
Таким |
образом, |
при |
|
|
||||
•к
±
О
Рис. 7.15
равенстве амплитуд боковых составляющих тока (рис. 7.14) амплитуды боковых составляющих напряжений будут раз личаться (рис. 7.15), т. е. неидеальный полосовой фильтр — оди
ночный параллельный контур — вносит |
частотные |
искажения |
|||||||||
|
|
|
в спектр AM сигнала. Эти |
||||||||
|
?+Ет |
|
искажения |
можно |
уменьшить, |
||||||
|
Г |
|
используя |
контур |
с |
полосой |
|||||
|
|
пропускания |
Дсо5*2 0 та, |
или |
|||||||
|
т |
|
более |
сложные |
полосовые |
||||||
|
|
|
фильтры, |
например, |
в |
виде |
|||||
|
- Ф |
|
двух связанных контуров, АЧХ |
||||||||
|
|
которых |
близка к |
идеальной |
|||||||
|
|
ивых= |
|||||||||
« |
о |
прямоугольной АЧХ (см. гла |
|||||||||
= u j t) ^ 0t |
|||||||||||
упр |
О |
|
ву 2). На практике амплитуд |
||||||||
|
|
ную |
модуляцию в |
маломощ |
|||||||
|
|
ных |
передатчиках |
получают |
|||||||
|
|
|
с помощью транзисторных мо |
||||||||
< |
Р |
|
дуляторов. Обобщенная схема |
||||||||
|
такого модулятора на полевом |
||||||||||
|
|
|
транзисторе |
приведена |
на |
||||||
|
Рис. 7.16 |
|
рис. 7.16, |
а |
принципиальная |
||||||
|
|
схема — на рис. 7.17. |
В схеме |
||||||||
|
|
|
рис. 7.17 |
|
Ct — блокировочная |
||||||
|
|
|
емкость, |
сопротивление кото |
|||||||
|
|
|
рой мало на несущей частоте. |
||||||||
|
|
|
R см |
и Ссм — цепь |
автосмеще |
||||||
|
|
|
ния, сопротивление Ссм и на |
||||||||
|
|
|
несущей частоте, и на частоте |
||||||||
|
|
|
управляющего сигнала много |
||||||||
|
|
|
меньше |
Лсм. Кроме управля |
|||||||
|
|
|
ющего сигнала иуп_(/) и не |
||||||||
|
|
|
сущего колебания |
и т1 cos со0е, |
|||||||
|
|
|
на затвор транзистора в схеме |
||||||||
|
|
|
рис. 7.16 |
|
подается |
также |
за |
||||
|
|
|
пирающее |
постоянное |
напря |
||||||
|
|
|
жение, приблизительно равное |
||||||||
|
|
|
напряжению |
отсечки |
(запира- |
||||||
ния) транзистора и определя ющее положение рабочей точ ки на характеристике /с(мзи) транзистора (рис. 7.17). При отсутствии управляющего сиг
нала ( и Уп р ( О |
= 0) ток стока |
представляет |
собой последо |
вательность импульсов равной амплитуды. Эта последова тельность импульсов может быть разложена в ряд Фурье. Она содержит первую гармо нику тока на частоте со0> амплитуда которой примерно
равна половине амплитуды импульсов тока. Гармоника тока на частоте со0 приводит к появлению напряжения на этой частоте на параллельном контуре. Когда управляющее на пряжение меняется, одновременно меняется амплитуда им пульсов тока и амплитуда АМ колебаний напряжения на выходе модулятора (рис. 7.18). Аналогично осуществляется базовая модуляция в модуляторе на биполярном транзисторе и сеточная модуляция в мощных модуляторах на электро вакуумных триодах. Амплитудную модуляцию можно получить также, изменяя под действием управляющего сигнала на пряжения на стоке полевого транзистора uCH= En„T — uynp(t), на коллекторе биполярного транзистора и на аноде элек тровакуумного триода. Эти изменения напряжений будут приводить к изменениям импульсов тока, протекающих через параллельный контур на выходе модулятора и, соответственно, к амплитудной модуляции напряжения.
Частотная модуляция
Наиболее простой способ получения частотной модуляции — включение запертого полупроводникового диода— варикапа — в контур высокочастотного генерато ра. Емкость варикапа зависит от при ложенного к нему напряжения (см. гла ву 3). Управляющее напряжение по дается в цепь смещения варикапа (рис. 7.19). Емкости блокировочных конденсаторов С\ и С2 достаточно ве лики на несущей частоте и их сопротив лениями на этой частоте можно прене бречь. Поэтому на несущей частоте схема рис. 7.19 моэкет быть заменена схемой рис. 7.20. Резонансная часто-
та ©ре, контура рис. 7.20, а следователь но и частота колебаний генератора зави сят от управляющего сигнала мупр (t)
|
1 |
|
® ген — ® pel |
/ - |
• |
|
V ^0 [С0 + С3 (Мупр)] |
|
На выходе генератора получается коле бание постоянной амплитуды с изменя ющейся частотой, т. е. ЧМ колебание.
§ 7.3. Детектирование AM колебаний
Как уже отмечалось в начале этой главы, детектор AM коле баний, называемых также амплитудным детектором, должен со держать нелинейный элемент и фильтр, выделяющий низкоча стотный продетектированный сигнал, т. е. фильтр нижних частот.
В качестве нелинейного элемента используются диоды и тран зисторы, в качестве фильтра нижних частот— простейшая RC цепь. Схема диодного детектора приведена на рис. 7.21.
Параметры RC цепи выбираются из следующих соображений. Составляющие тока на несущей оа0 и боковых частотах не долж ны создавать падения напряжения на сопротивлении нагрузки R, поэтому сопротивление емкости С на этих частотах должно быть много меньше R
« R.
©оС
С другой стороны, эта емкость не должна шунтировать сопро тивление R на максимальной частоте Qmax продетектированного сигнала, выделяющегося на сопротивлении R. Поэтому
—— —» R. Окончательно получаем, что величины R и С долж- '^тах^
ны удовлетворять соотношению
1 |
R « |
|
|
(о0 с « |
^та»С |
|
|
а—► |
или |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
— « |
RC « - — . |
|
|
® 0 |
*“ тах |
Модуль сопротивления RC-це почки рис. 7.21 с ростом частоты падает. Если из-за нелинейности
диода появляются спектральные со ставляющие тока на частотах Q l5 fi2> Q3 управляющего сигнала равной ам плитуды (рис. 7.22), то амплитуды на пряжения на RC цепочке на этих часто тах Ui = \Zk(Q)\Ii будут различными и тем меньшими, чем больше частота О, (рис. 7.23). Это означает, что данный фильтр нижних частот вносит частот ные искажения и ослабляет спектраль ные составляющие продетектированного сигнала с наибольшими часто тами.
Рассмотрим качественно особен ности детектирования диодным детек тором слабых и сильных сигналов. При слабых сигналах ВАХ диода мо жет быть аппроксимирована полино мом второй степени
i= &о+ о,iи+ #2w2•
I МТ
0 |
J2? S22 Q3 |
CJ |
Для диодных |
и транзисторных детек |
Рис. 7.23 |
торов слабым |
считается сигнал с ам |
|
плитудой Um< 0,025 В. Предположим, что напряжение на сопро тивлении нагрузки ивых(/) много меньше UaM(t)coso>0t, тогда напряжение на детекторе равно
и= £/ам (/) cos соо ^
а ток равен
/ = 00 + 0 ! t/aM(OcOSCDof + a2 C/a M (0 cO S 2 G M = tf0 +
+ а I и лм (О COSCDot + |
+ ^ ^ U l c o s 2ю0 1. |
Выделим низкочастотные составляющие тока А /= а0+ —
Пусть
t/aM( 0 = ^ m ( l + C O S f i / ) .
тогда
Ai= a0+ ~ ^ { i+ c o s € lt) 2 = a0+^1Y !L+a2 Ulmcos£lt +
+ |
cos2 Q.t = a0 |
+ <^ ^ + ^ Y 1 y + <*2 £/m»icosQH- |
|
+ |
— cos2Q /. |
|
2 2 |
Таким образом А/ содержит постоянную составляющую тока
a2Ui |
a2U2m2 |
~ |
1о = ао^~— |
—~ 4 — ’ составляющую |
на частоте модуляции 12 |
i1=a2UimcosQt и составляющую на удвоенной частоте моду ляции
« ^ . ^ со82Ш.
2 2
Таким образом, в спектре тока появилась не только составляю щая на частоте модуляции Q (это полезный результат детектиро вания), но и составляющая на частоте 2Q, которой нет в спектре управляющего сигнала. Иными словами, квадратичный детек тор, т. е. диодный детектор при слабых сигналах, вносит нелиней ные искажения, «загрязняя» спектр продетектированного сигнала дополнительными составляющими. Отношение (/2//i) = /и/4 тем меньше, чем меньше глубина модуляции. Коэффициент передачи детектора
К„= Ua |
RHai Uim |
= R„a->Um |
m U „ |
mU„ |
|
зависит от амплитуды сигнала Um. При малых сигналах (t/m« 1) коэффициент передачи детектора также мал (Ка « 1). Наличие нелинейных искажений и малый коэффициент передачи является недостатками квадратичного детектора. Поэтому в большинстве радиоустройств детектирование слабых сигналов не использу ется.
Рассмотрим детектирование сильных сигналов. В этом случае ВАХ диода аппроксимируем кусочно-линейной зависимостью (рис. 7.24)
Г Su при и>О
(7.1)
( 0 при и<0
При действии немодулированного сигнала Umcos<at на диоде будет напряжение u=Umcos<ot—UH, где UH= I„R— напряжение на RC цепочке, /н— постоянная составляющая тока диода. Ток через диод будет протекать толь ко часть периода, т. е. с отсеч кой (рис. 7.24). Угол отсечки 0
определяется |
из |
условия |
и= |
= Umcos 0—UH= 0. Отсюда |
|
||
cos 0 = —. |
(7.2). |
||
|
|
ит |
|
Учитывая, |
что |
UH— Umcos 0, |
|
напряжение на диоде можно запи