Федеральное агентство по образованию Уральский государственный технический университет – УПИ
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ
Конспект лекций
Екатеринбург
УГТУ–УПИ
2010
УДК 621.396.61(075)
Составители: Л.И. Булатов, Б.В. Гусев, Е.В. Лагунов
Устройства формирования и генерирования сигналов: конспект лекций. Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2010, 149 с.
Излагаются вопросы теории и практики, связанные с анализом процессов при генерировании радиочастотных колебаний большой мощности; амплитудной, угловой и импульсной модуляции. Приводится теория и практика методов генерации гармонических колебаний с высокой стабильностью частоты. Рассматривается методика расчета отдельных узлов радиопередатчиков с учетом электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств.
Подготовлено кафедрой «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения»
© Уральский государственный технический университет – УПИ, 2010
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Глава 1. |
|
НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ |
|
УСТРОЙСТВ ...................................................................................................................................... |
6 |
Классификация радиопередатчиков .............................................................................................. |
6 |
Требования к передатчикам ........................................................................................................... |
7 |
Контрольные вопросы .............................................................................................................. |
7 |
Глава 2. |
|
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ (ГВВ) .................... |
9 |
Контрольные вопросы ............................................................................................................ |
12 |
Глава 3. |
|
АППРОКСИМАЦИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРНЫХ ПРИБОРОВ |
|
............................................................................................................................................................ |
13 |
Аппроксимация статических характеристик электронных ламп ............................................. |
14 |
Аппроксимация статических характеристик биполярных транзисторов ................................ |
16 |
Аппроксимация статических характеристик полевых транзисторов ...................................... |
17 |
Контрольные вопросы ............................................................................................................ |
17 |
Упражнения .............................................................................................................................. |
17 |
Глава 4. |
|
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫХОДНОГО ТОКА ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШ - |
|
НИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ................................................................................................................. |
18 |
Контрольные вопросы ............................................................................................................ |
20 |
Глава 5. |
|
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР КАК НАГРУЗКА ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕ- |
|
НИЕМ ................................................................................................................................................ |
22 |
Контрольные вопросы: ........................................................................................................... |
23 |
Глава 6. |
|
ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОСИНУСОИДАЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ .............................. |
24 |
Коэффициенты разложения косинусоидальных импульсов ..................................................... |
26 |
Контрольные вопросы: ........................................................................................................... |
28 |
Глава 7. |
|
РАСЧЕТЫ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАТОРОВ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ........................... |
29 |
Выбор угла отсечки и напряженности режима ГВВ ................................................................. |
29 |
Нагрузочные характеристики ГВВ .............................................................................................. |
30 |
Расчеты выходных цепей генератора .......................................................................................... |
31 |
Расчёт режима анодной цепи лампового ГВВ по заданной мощности Р1 в граничном |
|
режиме ...................................................................................................................................... |
31 |
Расчёт коллекторной цепи транзисторного ГВВ .................................................................. |
32 |
Расчеты входных цепей генераторов .......................................................................................... |
33 |
Расчет входной цепи лампового ГВВ .................................................................................... |
33 |
Расчет входной цепи биполярного транзистора при возбуждении от источника |
|
гармонического тока ............................................................................................................... |
34 |
Контрольные вопросы: ........................................................................................................... |
37 |
Глава 8. |
|
СХЕМОТЕХНИКА ГЕНЕРАТОРОВ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ................................. |
38 |
Схемы питания выходной цепи ГВВ .......................................................................................... |
38 |
Последовательная схема питания коллекторной цепи ........................................................ |
39 |
Параллельная схема питания выходной цепи генератора ................................................... |
41 |
Схемы питания входных цепей ................................................................................................... |
42 |
Контрольные вопросы: ........................................................................................................... |
43 |
3
Глава 9. |
|
СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ АКТИВНЫХ ПРИБОРОВ............................................................ |
44 |
Параллельная схема включения активных приборов................................................................ |
44 |
Двухтактная схема включения АЭ.............................................................................................. |
46 |
Схемы сложения и деления мощности....................................................................................... |
48 |
Классическая мостовая схема................................................................................................ |
48 |
Контрольные вопросы............................................................................................................ |
49 |
Глава 10. |
|
УСТРОЙСТВА СВЯЗИ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ ПЕРЕДАТЧИКОВ С НАГРУЗКОЙ....... |
50 |
Узкополосные согласующие устройства.................................................................................... |
51 |
Пример расчета элементов Г- образного четырехполюсника............................................. |
54 |
П- образный четырехполюсник как трансформатор сопротивлений................................. |
54 |
Широкополосные согласующие устройства.............................................................................. |
56 |
Фильтры гармоник широкополосных согласующих устройств......................................... |
56 |
Широкополосные трансформаторы............................................................................................ |
59 |
Широкополосные трансформаторы с магнитной связью.................................................... |
60 |
Трансформаторы на отрезках линий..................................................................................... |
62 |
Понятия «продольных» напряжений и токов....................................................................... |
62 |
Использование ферритов для уменьшения продольных токов........................................... |
63 |
Трансформаторы с коэффициентами трансформации 1:2 и 1:3.......................................... |
63 |
ШТЛ с дробным коэффициентом трансформации............................................................... |
66 |
ШТЛ без ФЛ............................................................................................................................. |
66 |
Контрольные вопросы............................................................................................................ |
67 |
Глава 11. |
|
МЕЖКАСКАДНЫЕ СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА............................................................ |
68 |
Контрольные вопросы............................................................................................................ |
70 |
Глава 12. |
|
АВТОГЕНЕРАТОРЫ....................................................................................................................... |
71 |
Общие уравнения автогенераторов............................................................................................. |
71 |
Одноконтурные автогенераторы.................................................................................................. |
74 |
Емкостная трехточка............................................................................................................... |
75 |
Индуктивная трехточка........................................................................................................... |
76 |
Условие самовозбуждения автогенератора................................................................................. |
76 |
Автоматическое смещение в автогенераторах........................................................................... |
79 |
Выбор транзистора для автогенераторов.............................................................................. |
81 |
Расчет электрического режима автогенератора.................................................................... |
82 |
Расчет колебательной системы.............................................................................................. |
82 |
Контрольные вопросы............................................................................................................ |
84 |
Глава 13. |
|
СТАБИЛЬНОСТЬ ЧАСТОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРА................................................................... |
85 |
Эталонность контура.................................................................................................................... |
85 |
Основные дестабилизирующие факторы................................................................................... |
86 |
Влияние нестабильных фазовых углов на частоту автоколебаний.................................... |
87 |
Влияние режима автогенератора на частоту автоколебаний............................................... |
88 |
Контрольные вопросы............................................................................................................ |
89 |
Глава 14. |
|
КВАРЦЕВЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ.............................................................................................. |
91 |
Схема замещения кварцевого резонатора................................................................................... |
91 |
Осцилляторные схемы автогенераторов с кварцем................................................................... |
93 |
Осцилляторные схемы автогенераторов, работающие на механических гармониках |
|
кварца....................................................................................................................................... |
93 |
Автогенераторы, использующие последовательный резонанс кварца.................................... |
95 |
4
Контрольные вопросы............................................................................................................ |
96 |
Глава 15. |
|
ВОЗБУДИТЕЛИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ................................................................................. |
97 |
Требования к синтезаторам.......................................................................................................... |
97 |
Пассивные некогерентные синтезаторы..................................................................................... |
98 |
Синтезатор с идентичными декадами................................................................................... |
99 |
Синтезаторы с использованием косвенного метода синтеза сетки дискретных частот...... |
100 |
Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ.................................................................................. |
101 |
Контрольные вопросы.......................................................................................................... |
102 |
Глава 16. |
|
ПЕРЕДАТЧИКИ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ........................................................... |
103 |
Модуляция смещением............................................................................................................... |
106 |
Порядок расчета ГВВ при модуляции смещением............................................................ |
108 |
Контрольные вопросы:......................................................................................................... |
109 |
Глава 17. |
|
АНОДНАЯ (КОЛЛЕКТОРНАЯ) МОДУЛЯЦИЯ ....................................................................... |
111 |
Порядок расчета генератора при анодной модуляции....................................................... |
113 |
Контрольные вопросы........................................................................................................... |
115 |
Глава 18. |
|
ОДНОПОЛОСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ............................................................................................. |
116 |
Элементы формирователей однополосного сигнала............................................................... |
119 |
Балансные модуляторы......................................................................................................... |
119 |
Полосовые фильтры основной селекции............................................................................ |
120 |
Структурные схемы однополосных передатчиков.................................................................. |
120 |
Особенности усиления сигналов ОБП...................................................................................... |
122 |
Способы повышения КПД усилителей ОБП...................................................................... |
123 |
Контрольные вопросы.......................................................................................................... |
124 |
Глава 19. |
|
УГЛОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ............................................................................................................ |
125 |
Общие характеристики угловой модуляции............................................................................. |
125 |
Частотная модуляция.................................................................................................................. |
127 |
Управители частоты ............................................................................................................. |
129 |
Варикап как частотный модулятор...................................................................................... |
130 |
Нелинейные искажения при ЧМ.......................................................................................... |
132 |
Фазовая модуляция..................................................................................................................... |
133 |
Контрольные вопросы ......................................................................................................... |
135 |
Глава 20. |
|
ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ................................................................................................... |
136 |
Основные параметры импульсного сигнала............................................................................ |
136 |
Импульсные модуляторы с частичным разрядом емкости..................................................... |
137 |
Процесс формирования фронта и спада напряжения на генераторной лампе................ |
139 |
Формирование плоской части импульса............................................................................. |
140 |
Заряд накопительной емкости через индуктивность......................................................... |
141 |
Импульсные модуляторы с тиратронным коммутатором....................................................... |
142 |
Формирование импульса напряжения отрезком длинной линии..................................... |
143 |
Расчет элементов цепочечного эквивалента линии........................................................... |
145 |
Колебательный способ заряда емкостей ЭЛ....................................................................... |
145 |
Контрольные вопросы.......................................................................................................... |
148 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................................................... |
149 |
5
Глава 1.
НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Устройство генерирования и формирования сигналов (УГФС) – это устройство, выполняющее функции [1]:
–генерирование высокочастотных колебаний заданной частоты и мощности;
–управление параметрами высокочастотных колебаний в соответствии с передаваемым сообщением (модуляция);
Вместе с антенной УГФС служит для передачи сообщений в точку приема, поэтому в дальнейшем вместо УГФС будем использовать название радиопередатчик или передатчик. В этом определении названы две основные функции передатчика – энергетическая и информационная. Названные функции определяют задачи и содержание курса. В первой части курса будут рассмотрены физические процессы, связанные с генерацией высокочастотных колебаний, методы расчета генераторов, их схемотехника. Во второй части – вопросы, связанные с модуляцией высокочастотных колебаний.
Радиопередатчики применяются: в радиосвязи (магистральная, например, Москва – Владивосток, подвижная связь, любительская и др.), радиовещании, телевидении, радиолокации, радиотелеметрии, в физических исследованиях, в устройствах термообработки, в медицине. Два последних раздела формально не подпадают под определение передатчиков, так как модуляционные процессы в них не являются основными или вообще отсутствуют. Однако процессы преобразования энергии те же самые.
Классификация радиопередатчиков
По мощности радиочастотных колебаний различают передатчики очень малой мощности, менее 3 Вт; малой мощности 3 – 100 Вт, средней 0,1 – 3 кВт, мощные 3 – 100 кВт и сверхмощные, более 100 кВт. Для сравнения: средняя мощность электрической лампочки 100 Вт.
Классификация передатчиков по диапазону частот приведена в табл. 1.1. Таблица 1.1
Диапазоны частот радиопередатчиков
Номер |
Диапазон |
Обозначение |
Метрическое |
полосы |
частот |
полосы |
наименование |
4 |
3,0 – 30 кГц |
ОНЧ (очень низкие частоты) |
Мириаметровые |
5 |
30 – 300 кГц |
НЧ |
Километровые |
6 |
0,3 – 3,0 МГц |
СЧ |
Гекаметровые |
7 |
3,0 – 30 МГц |
ВЧ |
Декаметровые |
8 |
30 – 300 МГц |
ОВЧ |
Метровые |
9 |
0,3 – 3,0 ГГц |
УВЧ (ультра высокие частоты) |
Дециметровые |
10 |
3,0 – 30 ГГц |
СВЧ |
Сантиметровые |
|
|
|
|
6