Глава 6. Перетворювачі електричних сигналів

6.1. Загальна структура і типи перетворювачів сигналів

Перетворення електричних сигналів поряд з їх виділенням та підсиленням є однією з основних функцій радіоелектроніки. Існує два виду перетворення сигналів: логічне перетворення цифрових сигналів і спектральне — аналогових. Обидва вони принципово необхідні для функціонування радіоелектронних пристроїв. Логічні перетворення є основою побудови всіх комбінаційних та послідовних схем цифрової техніки, а на

Рис. 6.1. Узагальнена структурна схема перетворювача електричних сигналів

перетворенні спектрів сигналів ґрунтуються багатоканальність і якість передавання та приймання інформації. Крім того, в радіоелектроніці використовують перетворення аналогових сигналів на цифрові (АЦП) і цифрових на аналогові (АЦП), для чого застосовують логічні схеми.

Незважаючи на те, що цифрові сигнали перетворюються за законами алгебри логіки, а аналогові — лінійним перенесенням їхніх спектрів з однієї ділянки частот до іншої, для технічної реалізації обох видів перетворень треба мати чотириполюсник, провідність якого Y(і) можна змінювати зовнішнім діянням, і не менш як два сигнали на його вході, один з яких можна вважати керувальним провідністю чотириполюсника (рис. 6.1). Такий чотириполюсник можна побудувати на нелінійних або параметричних елементах. Підсилення, яким може супроводжуватись перетворення сигналів, не відіграє принципової ролі, тобто у найпростішому випадку всі види перетворювачів можуть бути побудовані на діодах.

Серед логічних перетворень є кон'юнкція, диз'юнкція та інверсія, а серед спектральних — модуляція, демодуляція і перетворення (множення) частоти. Окремі випадки цих перетворень — інверсія та множення частоти — можуть розглядатися як такі, при яких обидва вхідних сигнали однакові. Для виділення корисних сигналів при спектральних перетвореннях на виході перетворювача застосовують електричні фільтри (селектори).

Розглянемо елементи теорії перетворення спектрів електричних коливань на прикладі проходження двох монохроматичних сигналів з частотами ω₁ й ω₂ через нелінійне електричне коло, ВАХ якого можна записані у вигляді степеневого полінома

(6.1)

Обмежимося випадком малого рівня сигналів з нульовими початковими фазами, коли РТ розташовується на квадратичній ділянці ВАХ перетворювача.

Якщо на вході такого перетворювача діє сигнал

(6 2)

то на його виході маємо струм

(6.3)

У складі струму, описаного виразом (6.3), можна виділити (рис. 6.2 постійну складову

(6.4)

складові вихідних частот

(6.5)

складові подвійних частот

(6.6)

складові комбінаційних частот

(6.7)

Корисний ефект перетворення сигналу полягає саме в здобутті комбінаційних частот, решта ж складових, показаних на рис. 6.2, є зайвими і стають завадами при виділенні корисного сигналу. Таким чином, перетворення спектра сигналу полягає у перемноженні двох коливань, одним з яка є перетворюваний сигнал, а іншим — напруга допоміжного генератора.

Другий різновид перетворення сигналів на нелінійному елементі був при досить

Рис. 6.2. Діаграма спектрів сигналів на вході (а) і виході (б) перетворювача з квадратичною ВАХ

високому рівні амплітуд вхідної напруги . У цьому разі зручніше апроксимувати ВАХ елемента ламаною лінією, на якій розташовується так, що за відсутності сигналу струм через лінійний елемент не проходить. Миттєві значення струму при цьому — імпульси із змінним значенням кута відсікання . Розвинення цих імпульсів у ряд Фур'є з використанням коефіцієнтів гармонік Берга (5.20) можна дістати математичний вираз, що містить комбінаційну складову перетворюваного сигналу. Необхідною умовою розглянутого різновиду перетворення сигналів на нелінійному елементі є досить велика амплітуда сигналу коливання високої частоти достатня для того, щоб при постійній напрузі зміщення забезпечити проходження струму через нелінійний елемент з використанням лінійної частини його ВАХ.

Перемноження напруг двох сигналів може відбуватися також у лінійному (відносно одного з них) параметричному електричному колі. Якщо є параметричний чотириполюсник (див. рис. 6.1), провідність якого можна змінювати діянням, наприклад, зовнішнього джерела напруги U₂, то при підведенні до входу 1 напруги сигналу U_І =U_m1соsω₁t матимемо лінійний процес перемноження двох коливань у вигляді струму на виході i_вих .

Нехай напруга зовнішнього джерела U₂ =U_т2соsω₂t, а провідність чотириполюсника змінюється під її дією за законом (де К_ч — коефіцієнт передачі чотириполюсника). Тоді

(6.8)

Таке перетворення спектра сигналу називають параметричним.

Власне кажучи, за умови U_т1<<U_т2 нелінійне перетворення сигналу можна розглядати як параметричне: коли напруга U_т1 дуже мала, нелінійний елемент відносно неї можна вважати лінійним, а під дією напруги U_т2 положення РТ елемента за законом її зміни в межах квадратичної ділянки ВАХ чотириполюсника змінюється.

Нелінійне перетворення сигналів найчастіше здійснюють з використанням напівпровідникових діодів і транзисторів у нелінійному режимі їхньої роботи. Параметричні перетворювачі будують на спеціальних параметричних елементах: варикапах, реактивних транзисторах, штучних мікросхемних еквівалентах реактивних схем (наприклад, гідраторах), п'єзокерамічних резонаторах з параелектрика тощо.