11 Преобразователи частоты

11.1 Назначение, структурная схема и принцип работы преобразователей частоты

Преобразователем частоты называют устройство, осуществляющее перенос спектра радиосигнала из одной области частот в другую без изменения характера модуляции. Они являются частью супергетеродинного приемника. В результате преобразования получается новое значение частоты , называемой промежуточной. Частота может быть как выше, так и ниже частоты сигнала ; в первом случае происходит преобразование частоты вверх, во втором – вниз.

Как видно из диаграмм напряжений на входе и выходе ПЧ (рисунок 11.1), при преобразовании частоты закон модуляции (в данном случае – амплитудной) не нарушается, а изменяется только частота несущего колебания на выходе преобразователя.

Рисунок 11.1 Временные диаграммы напряжений на входе (а) и выходе ПЧ (б)

Спектр преобразованного колебания (рисунок 11.2) сместился по оси частот влево (для ); при этом характер спектра не изменился.

Рисунок 11.2 Спектр частот на входе (а) и выходе ПЧ (б)

Здесь - частота модулирующего колебания; и - несущие частоты для и .

Для преобразования частоты в радиоприемниках используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.

Структурная схема преобразования частоты (рисунок 11.3) содержит преобразовательный элемент ПЭ, гетеродин Г и фильтр Ф.

Рисунок 11.3 Структурная схема ПЧ

Режим работы ПЭ периодически во времени меняется под действием напряжения гетеродина с частотой гетеродина . В результате изменяется крутизна ВАХ преобразовательного элемента, что приводит к преобразованию сигнала.

Положим, что к ПЭ со строго квадратичной ВАХ (рисунок 11.4) приложены напряжение гетеродина и некоторое начальное напряжение смещения ; при этом .

Под действием напряжения гетеродина рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и, как следует из рисунка 11.4, крутизна в рабочей точке также будет периодически меняться от до . Так как , то при квадратичной ВАХ зависимость крутизны от напряжения линейна.

Рисунок 11.4 Вольт-амперная характеристика ПЧ

Следовательно, при косинусоидальном напряжении крутизна изменяется также по косинусоидальному закону и содержит постоянную составляющую и первую гармонику. Тогда

,

где - постоянная составляющая крутизны ПЭ; - амплитуда первой гармоники крутизны ПЭ.

Ток на выходе ПЭ . Эта формула приближенная, поскольку она не учитывает ток сопротивления нагрузки.

Пусть на входе ПЭ действует сигнал , где - функции времени.

Подставив в выражение для тока значения и , получим

.

Используя правило перемножения косинусов, запишем

. (11.1)

Согласно (11.1), ток на выходе ПЭ содержит составляющие трех частот: частоты сигнала , суммарной частоты и разностной частоты .

Из составляющих выходного тока используют только составляющую разностной частоты (полезная составляющая):

. (11. 2)

Фильтр на выходе преобразователя частоты выделяет только эту составляющую выходного тока, поэтому напряжение на выходе преобразователя определяется током .

Согласно (11.2), амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна амплитуде сигнала , следовательно, при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала (амплитудная модуляция) сохраняется.

Фаза тока также соответствует фазе исходного сигнала , т.е. при преобразовании частоты фазовая модуляция сохраняется.

Амплитуда тока зависит от амплитуды гармоники крутизны . При : ; (преобразования по частоте не происходит). Чем больше , тем больше , а следовательно, больше амплитуда тока и амплитуда напряжения на выходе преобразователя.

Преобразователи частоты подразделяют:

• в зависимости от вида ПЭ: диодные, транзисторные, интегральные;

• в зависимости от числа ПЭ: простые (один ПЭ), балансные (два ПЭ), кольцевые (четыре ПЭ).

Если , то положение боковых полос сигнала относительно несущей частоты после преобразования частоты не изменяется (неинвертирующий преобразователь частоты).

Если , то боковые полосы после преобразования меняются местами, нижняя становится верхней, и наоборот (инвертирующий преобразователь частоты).

Выводы:

1. При преобразовании частоты закон модуляции входного напряжения не нарушается, а изменяется только несущая частота.

2. Для преобразования частоты используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.

3. Под действием напряжения гетеродина периодически во времени меняется режим работы ПЭ, в результате чего меняется с частотой крутизна ПЭ. При этом ток на выходе ПЭ содержит помимо составляющей с частотой сигнала ряд комбинационных составляющих, одна из которых с частотой (обычно или ), выделяемая фильтром, создает напряжение на выходе преобразователя частоты.