Экзамен по нелинейной части (Ильин)

Билет №11

1. Общая теория преобразователя частоты.

Представим смеситель ПЧ как нелинейный шестиполюсник, на выходе которого включена избирательная нагрузка н, настроенная на промежуточную частоту. На нелинейный элемент действуют три гармонических напряжений:

Напряжение сигнала: = cos( + ) Напряжение гетеродина: г = г cos(г + г)

Напряжение промежуточной частоты: пр = пр cos(пр + пр)

Ток на выходе смесителя является функцией трех переменных:

Выражение для выходного тока можно представить в виде разложения в ряд Тейлора в точке, задаваемой мгновенными значениями напряжения сигнала, и сигнала на промежуточной

частоте:

Подставим все и применим правило перемножения косинусов:

Первое слагаемое: Действие напряжение гетеродина; Второе слагаемое: Мгновенное значение прямой проводимости;

Третье слагаемое: Мгновенное значение выходной проводимости; Следовательно, можно записать:

Получим уравнение прямого преобразования, подставив во 2-сл k=1, а в 3-сл k=0: Представим слагаемые рядом Фурье:

В комплексном виде это уравнение запишется в виде:

Прямое преобразование – это фактически образование промежуточной частоты из частоты сигнала и частоты

гетеродина. Кроме прямого преобразования в преобразователях частоты имеет место и обратное преобразова-

2. Работа АПЧ с импульсными сигналами.

По скорости протекания переходных процессов системы АПЧ можно подразделить: на инерционные; на быстродействующие; поисковые.

Эта квалификация применяется в основном при импульсных сигналах, т.к. длительность переходных процессов оценивается относительно длительности импульсного сигнала имп.

В инерционных системах АПЧ каждый сигнальный импульс вносит некоторую поправку в настройку гетеродина, приближая ее к исходному номинальному значению. Стационарное значение частоты гетеродина устанавливается в результате действия нескольких сигнальных импульсов, следующих на одной и той же несущей. Инерционность системы определяется постоянной времени фильтра и глубиной регулирования. Инерционная система АПЧ используется не только в импульсных системах.

Степень инерционности системы АПЧ в приемниках АМ-сигналов обусловлена только условиями устойчивости и может быть весьма малой.

Билет №12

1. Фазовый детектор (Векторные диаграммы).

Фазовые детекторы преобразуют напряжение, модулированное по фазе, в напряжение, изменяющееся по закону модулирующей функции. Напряжение на выходе детектора определяется разностью фаз сравниваемых колебаний.

Рассмотрим балансную схему ФД.

Диоды VD1 и VD2 амплитудных детекторов включены однополярно, а нагрузки – встречно. Выходное напряжение образуется как разность напряжений, создаваемых каждым амплитудным детектором.

Напряжение сигнала приложено к диодам противофазно, а опорное – синфазно. Соответствующие векторные диаграммы выглядят следующим образом:

Результирующая детекторная характеристика балансного фазового детектора:

При с= /2 (3 /2) детекторные характеристики линейны и проходят через нуль, что весьма важно при применении фазового детектора в автоматических регуляторах частоты и фазы .

2. Поисковая АПЧ

Здесь ГП - генератор пилообразного напряжения, который при отсутствии внешнего воздействия генерирует пилообразное напряжение, перестраивающее частоту гетеродин в Г в максимально возможных пределах. Это позволяет найти такое значение частоты гетеродина, при котором появляется сигнал на выходе УПЧ. С приближением промежуточной частоты к переходной частоте ЧД амплитуда видеоимпульсов на его выходе сначала увеличивается, затем уменьшается и далее изменяется полярность импульсов. После этого начинается новый рост амплитуды. Когда амплитуда сигнала на выходе ЧД достигает определенного значения, фиксирующая цепь ФЦ вырабатывает постоянное напряжение, срывающего автоколебания генератора поиска и переводящего его в режим усиления постоянного

напряжения. Таким образом, прекращается поиск по частоте и осуществляется захват найденного значения частоты гетеродина, обеспечивающего близость промежуточной частоты к номинальному.

При новом значительном уходе промежуточной частоты или прекращения приема сигналов система АПЧ переходит в режим поиска по частоте, при этом новый захват нужного значения частоты происходит за один или несколько циклов поиска

Билет №13

1. Ограничители амплитуды сигналов

Ограничитель амплитуды сигналов устраняет паразитную амплитудную модуляцию во время приема ЧМ и ФМ сигналов.

Ограничитель амплитуды состоит из безынерционного нелинейного элемента (являющегося ограничителем) и резонансного фильтра (выделяет спектральную зону в области частоты входного сигнала).

Амплитудная характеристика ограничителя амплитуды выглядит следующим образом:

Как только амплитуда входного сигнала превысит пороговый уровень Uвх1, коэффициент передачи ограничителя амплитуд будет падать. Качество работы ограничителя амплитуд характеризуется коэффициентом ограничения:

Для улучшения качество ограничения нужно снижать порог ограничения, либо увеличивать коэффициент усиления. Рассмотрим транзисторный ограничитель амплитуды:

Сопротивление термостабилизации намеренно отсутствует, потому что благодаря нему осуществляется

обратная отрицательная связь. А именно из-за нее сдвигается рабочая точка при изменение амплитуды выход-

ного сигнала, что ведет к препятствие созданию перегрузочного режима и ухудшению ограничительных ха-

рактеристик.

Если амплитуда входного напряжения такова, что превышает размах, ограниченный стрелками на приведенной характеристике 2, то начинается отсечка коллекторного тока снизу и насыщение сверху.

2. Работа АПЧ с импульсными сигналами.

По скорости протекания переходных процессов системы АПЧ можно подразделить: на инерционные; на быстродействующие; поисковые.

Эта квалификация применяется в основном при импульсных сигналах, т.к. длительность переходных процессов оценивается относительно длительности импульсного сигнала имп.

В инерционных системах АПЧ каждый сигнальный импульс вносит некоторую поправку в настройку гетеродина, приближая ее к исходному номинальному значению. Стационарное значение частоты гетеродина устанавливается в результате действия нескольких сигнальных импульсов, следующих на одной и той же несущей. Инерционность системы определяется постоянной времени фильтра и глубиной регулирования. Инерционная система АПЧ используется не только в импульсных системах.

Степень инерционности системы АПЧ в приемниках АМ-сигналов обусловлена только условиями устойчивости и может быть весьма малой.

Билет №14

1.Синхронный амплитудный детектор.

Всинхронных детекторах под воздействием гетеродина периодически во времени меняются параметры цепи. Поскольку к таким устройствам относятся ПЧ, то структурная схема СД совпадает со структурной схемой ПЧ. Отличие СД от ПЧ заключается в том, что что частоту гетеродина выбирают равной частоте несущего колебания на входе детектора и, таким образом, реализуется нулевая промежуточная частота. Т.е гетеродин должен быть синхронным с сигналом. г =

с, вых =

Ток на выходе синхронного детектора имеет вид:

вых0 = 0,5 ∙ 1 ∙ ∙ ( г − с)

Выходное напряжение:

вых = вых0 ∙ н = 0,5 ∙ 1 ∙ ∙ н ∙ ( г − с)

Для реализации синхронности и синфазности гетеродина создается специальная цепь синхронизации, включающая в себя фильтр для выделения несущего колебания Uс, которое подводится к фазовому детектору системы автоматической подстройки частоты гетеродина.

Достоинства: линейность амплитудной характеристик, начиная с очень слабых сигналов; частотная избирательность осуществляется за счет изменения параметров выходного фильтра

2. Двухканальная АПЧ АРУ

Двухканальные системы разностной частоты применимы при расположении передатчика рядом с приемником, что характерно, например, для радиолокационных станций.

Для подстройки создается второй канал; поскольку от передатчика (ПРД) поступает сильный сигнал, его необходимо ослабить делителем напряжения (ДН). На выходе смесителя АПЧ второго канала образуется напряжение с частотой fПР, которое после усиления в УПЧ цепи АПЧ (Ус.) поступает в цепь АПЧ. В качестве цепи АПЧ может быть использованы и ЧАПЧ, и ФАПЧ. В реальной реализации структурной схемы отдельные структурные элементы могут отсутствовать (например, усилитель Ус.).

Билет №15

1. Общая теория преобразователя частоты.

Представим смеситель ПЧ как нелинейный шестиполюсник, на выходе которого включена избирательная нагрузка н, настроенная на промежуточную частоту. На нелинейный элемент действуют три гармонических напряжений:

Напряжение сигнала: = cos( + ) Напряжение гетеродина: г = г cos(г + г)

Напряжение промежуточной частоты: пр = пр cos(пр + пр) Ток на выходе смесителя является функцией трех переменных:

Выражение для выходного тока можно представить в виде разложения в ряд Тейлора в точке, задаваемой мгновенными значениями напряжения сигнала, и сигнала на промежуточной

частоте:

Подставим все и применим правило перемножения косинусов:

Первое слагаемое: Действие напряжение гетеродина; Второе слагаемое: Мгновенное значение прямой проводимости;

Третье слагаемое: Мгновенное значение выходной проводимости; Следовательно, можно записать:

Получим уравнение прямого преобразования, подставив во 2-сл k=1, а в 3-сл k=0: Представим слагаемые рядом Фурье:

В комплексном виде это уравнение запишется в виде:

Прямое преобразование – это фактически образование промежуточной частоты из частоты сигнала и частоты гетеродина. Кроме прямого преобразования в преобразователях частоты имеет место и обратное преобразова-

2. Быстродействующая АПЧ

В системах БАПЧ (быстродействующей АПЧ) подстройка частоты гетеродина осуществляется за время действия одного импульса сигнала. Следовательно, Время протекания переходного процесса меньше длительности сигнального импульса. В промежутках между импульсами система АПЧ разомкнута и должна сохранять настройку гетеродина, установленную во время действия импульсного сигнала.

Нагрузочная цепь на выходе частотного детектора имеет малую постоянную времени и при воздействии на его входе радиоимпульсов ЧД вырабатывает видеоимпульсы, амплитуда которых пропорциональна разности частоты заполнения и переходной частоты ЧД, а полярность соответствует знаку этой разности. Эти видеоимпульсы усиливаются и подаются на фиксирующую цепь (ФЦ). По-

следняя вырабатывает постоянное напряжение и поддерживает (фиксирует) его до прихода следующего импульса. Далее это напряжение через усилитель У подается на управляющий элемент гетеродина.

Билет №16

1. Фазовый детектор (Векторные диаграммы).

Фазовые детекторы преобразуют напряжение, модулированное по фазе, в напряжение, изменяющееся по закону модулирующей функции. Напряжение на выходе детектора определяется разностью фаз сравниваемых колебаний.

Рассмотрим балансную схему ФД.

Диоды VD1 и VD2 амплитудных детекторов включены однополярно, а нагрузки – встречно. Выходное напряжение образуется как разность напряжений, создаваемых каждым амплитудным детектором.

Напряжение сигнала приложено к диодам противофазно, а опорное – синфазно. Соответствующие векторные диаграммы выглядят следующим образом:

Результирующая детекторная характеристика балансного фазового детектора:

При с= /2 (3 /2) детекторные характеристики линейны и проходят через нуль, что весьма важно при применении фазового детектора в автоматических регуляторах частоты и фазы .

2. Поисковая АПЧ

Здесь ГП - генератор пилообразного напряжения, который при отсутствии внешнего воздействия генерирует пилообразное напряжение, перестраивающее частоту гетеродин в Г в максимально возможных пределах. Это позволяет найти такое значение частоты гетеродина, при котором появляется сигнал на выходе УПЧ. С приближением промежуточной частоты к переходной частоте ЧД амплитуда видеоимпульсов на его выходе сначала увеличивается, затем уменьшается и далее изменяется полярность импульсов. После этого начинается новый рост амплитуды. Когда амплитуда сигнала на выходе ЧД достигает определенного значения, фиксирующая цепь ФЦ вырабатывает постоянное напряжение, срывающего автоколебания генератора поиска и переводящего его в режим усиления постоянного

напряжения. Таким образом, прекращается поиск по частоте и осуществляется захват найденного значения частоты гетеродина, обеспечивающего близость промежуточной частоты к номинальному.

При новом значительном уходе промежуточной частоты или прекращения приема сигналов система АПЧ переходит в режим поиска по частоте, при этом новый захват нужного значения частоты происходит за один или несколько циклов поиска

Билет №18

1. Классификация обратных систем АРУ.

Цепь АРУ подключена ко выходу регулируемого усилителя, напряжение регулировки Eрег получается в результате детектирования выходного напряжения. Фильтр АРУ отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющееся составлявшие Eрег

Достоинства обратной регулировки: такая система АРУ не подвержена сильным перегрузкам и нечувствительна к изменениям коэффициента усиления системы, связанных со старением активных элементов.

Недостаток обратной регулировки: невозможность получения идеальной характеристики АРУ и невозможность получения одновременно большой глубины регулирования и высокого быстродействия.

Различают: простую АРУ, усиленную АРУ, простую АРУ с задержкой, усиленную АРУ с задержкой.

Простая АРУ уменьшает выходной сигнал при слабых сигналах и обладает малой глубиной регулирования.

Усиленная АРУ устраняет недостатки простой АРУ путем включения УПТ после детектора в обратную связь, но в такая система в большей степени подавляет слабые сигналы.

АРУ с задержкой устраняет недостаток в подавлении слабых сигналов. Пока сигнал на выходе не превышает некоторого порогового значения система АРУ отключена. При превышении напряжения задержки включается система АРУ.

2. Частотный детектор с преобразованием ЧМ в АМ.

Данный вид частотного детектора состоит из двух частей — преобразователя ЧМ в АМ и АД. Преобразователь ЧМ в AM — это линейное устройство, имеющее неравномерную амплитудно-частотную характеристику. В качестве такого преобразователя может быть использован колебательный контур.

Входной LC-контур настроен на частоту, несколько отличающуюся от частоты входных колебаний. В результате на вход амплитудного детектора поступают колебания, модулированные и по частоте, и по амплитуде.

Действительно, если к входу частотного детектора подводятся колебания, модулированные по частоте, например, одним тоному которых частота изменяется по закону

то амплитуда колебаний, поступающих на амплитудный детектор, изменяется синхронно с изменением частоты. Радиосигнал, изменяющийся по амплитуде (и частоте), поступает на обычный амплитудный детектор, где извлекается информация.

Билет №19

1. Общая теория преобразователя частоты.

Представим смеситель ПЧ как нелинейный шестиполюсник, на выходе которого включена избирательная нагрузка н, настроенная на промежуточную частоту. На нелинейный элемент действуют три гармонических напряжений:

Напряжение сигнала: = cos( + ) Напряжение гетеродина: г = г cos(г + г)

Напряжение промежуточной частоты: пр = пр cos(пр + пр) Ток на выходе смесителя является функцией трех переменных:

Выражение для выходного тока можно представить в виде разложения в ряд Тейлора в точке, задаваемой мгновенными значениями напряжения сигнала, и сигнала на промежуточной

частоте:

Подставим все и применим правило перемножения косинусов:

Первое слагаемое: Действие напряжение гетеродина; Второе слагаемое: Мгновенное значение прямой проводимости;

Третье слагаемое: Мгновенное значение выходной проводимости; Следовательно, можно записать:

Получим уравнение прямого преобразования, подставив во 2-сл k=1, а в 3-сл k=0: Представим слагаемые рядом Фурье:

В комплексном виде это уравнение запишется в виде:

Прямое преобразование – это фактически образование промежуточной частоты из частоты сигнала и частоты гетеродина. Кроме прямого преобразования в преобразователях частоты имеет место и обратное преобразова-

2. Частотный детектор с преобразованием ЧМ в импульсные виды модуляции.

Частотные детекторы этого типа не содержат колебательных цепей. Поэтому при частотах сигнала до единиц МГц они с успехом могут быть реализованы средствами современной микроэлектроники.

Входное синусоидальное ЧМ–колебание подвергается двухстороннему ограничению, полученная квадратная волна напряжения пропускается через дифференциатор. На выходе получается последовательность коротких импульсов положительной и отрицательной полярности. Указанные импульсы подаются на формирователь, где отрицательные импульсы отсекаются, а положительные имеют одинаковую амплитуду и длительность. На выходе формирователя имеем последовательность нормированных импульсов положительной полярности. Эти импульсы детектируются в видеосигнальном (пиковом) детекторе, выходное напряжение которого обратно пропорционально скважности = ⁄ = 1⁄ , где Т и f период и частота

исходного ЧМ–колебания, – длительность нормированного импульса на выходе формирователя. Так как длительность нормированного импульса

постоянна, то скважность последовательности прямо пропорциональна периоду следования нормированных импульсов и обратно пропорциональна частоте исходного ЧМ–колебания. Следовательно, выходной сигнал на выходе пикового детектора пропорционален частоте исходного ЧМ–колебания.

В процессе преобразования ЧМ в ЧИМ полностью устраняется зависимость выходного напряжения от изменения амплитуды входного сигнала и подобный детектор является чисто частотным