6.3 Пассивные преобразователи частоты

B многоканальной аппаратуре с разделением сигналов по ча­стоте широко используются пассивные преобразователи частоты. Эти преобразо-ватели весьма просты, надежны в работе и не требуют источников электро-питания.

К недостаткам их можно отнести сравнительно большое и почти не регулируемое затухание, а также необходимость иметь значитель­ную мощность источника колеба­ний несущего тока.

В качестве нелинейных эле­ментов, входящих в схему пас­сивных преобразователей часто­ты, применяются полупроводни­ковые диоды (чаще всего германиевые или кремниевые). Основной характеристикой диода яв­ляется его вольтамперная

Рис. 6.1 характеристика, изображенная на рис. 6.1 и представляющая собой зависимость значения тока от приложенного к диоду напряжения.

На этом же рисунке приве­дена характеристика зависимости сопротивления диода от мгно­венных значений приложенного напряжения в рабочем диа­пазоне напряжений.

Качество диода (его выпрямительная способность) характери­зуется коэффициентом выпрямления, представляющим собой отно­шение сопротивлений, определенных при двух равных по абсолют­ной величине и обратных по знаку напряжениях:(и•— значения сопротивлений соответственно при"и'=-=).

Пользуются также понятием «характеристическое сопро­тивление» диода В зависимости от используемого при преобразовании сигналов участка вольтамперной характеристики диодов, а также от соот­ношения токов несущей частоты и воздействующего сигнала целесообразно рассмотреть следующие возможные режимы работы преобра­зователя частоты: пара­болический режим; ре­жим ломаной характери­стики и режим линейно-ломаной характеристики. Проведем анализ работы пассивных преобразовате­лей частоты в каждом из указанных режимов. Удобнее всего это сделать на примере прос­тейшей однотактной схемы, а затем выводы распространить на более сложные схемы.

Рис. 6.2

Модулирующий сигнал представляется в виде суммы гармони­ческих колебаний.

На рис. 5.2 приведены схема однотактного преобразователя ча­стоты и трафики, поясняющие условия его работы в параболическом режиме. В данном

случае используется только параболиче­ский участок вольт амперной характеристики. Тогда

(6.2)

где_- коэффициенты аппроксимации нелинейной цепи, которые вычисляются с учетом включенных последовательно с дио­дом эквивалентных внутренних сопротивлений источников эде не­сущей и сигнала;

(6.3)

— воздействующее напряжение, состоящее из напряжения не­сущей частоты о и напряжения преобразуемых колебаний. За­метим, что от величины смещающего напряжения зависит не только коэффициент аппроксимации, но и коэффициенты,

^: После решения в общем виде уравнения (4.2) с учетам (4.3) полу­чим ряд продуктов преобразований, частоты которых определяют­ся из соотношения

(6.4)

где=0; 1; 2, а каждый из коэффициентов и может равняться нулю, единице .или двум; —любая пара гармонических составляющих. Паразитными продуктами 'будут: , а также комбинационные колебания вида, обусловленные взаимодействием исходных колебаний между собой. Рассмотрим работу однотактного преобразователя в режиме ломаной характеристики. В этом случае можно считать, что нелинейный элемент обладает вольтамперной характеристикой, кото­рая в области положительных значений напряжения может быть аппроксимирована полиномом (многочленом) -й степени. В об­ласти отрицательных значений напряжений ток очень мал и имможно пренебречь. Таким образам

(6.5)

где — величина напряжения, определяемая из выражения (б.З).Поскольку, как было ранее принято, амплитуда напряжения несущей частоты значительно больше амплитуды составляющих преобразуемого сигнала, то можно считать, что так в цепи преоб­разователя будет представлять собой импульсы с огибающей, соответствующей модулирующему напряжению (рис. 6.3). Пред­полагается, что значение не­сущей чистотымного большезначения модулирующих ча­стот_.

Для получения аналитических соотношений, которые определя­ют спектр частотна выходе преобразователя, достаточно умножить величину тока, определяемую из выражения (5.6), на функциюпереключения H(t). Последняя представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов (рис. 6.4) с перио­дом следования, соответствующим несущей частоте

Разложение функции переключения H(t) в ряд Фурье дает

. (6.6)

Рис. 6.3 Рис. 6.4

Режим ломаной характеристики является более стабильным, чем параболический режим, так как при этом отсутствует постоян­ное смещение, которое определяет стабильность во времени коэф­фициентов аппроксимации. Кроме того, амплитуды полезно исполь­зуемых колебаний будут меньше зависеть от изменения амплиту­ды колебаний несущей частоты.

Как правило, режим ломаной характеристики не используется, но здесь он рассматривается для того, чтобы показать те условия работы преобразователя частоты, которые будут иметь место при нарушении широко используемого режима линейно-ломаной харак­теристики. Последний характеризуется тем, что нелинейный эле­мент преобразователя обладает вольтамперной характеристикой, которая при положительных значениях напряжения определяется линейной зависимостью, а при отрицательных значениях напря­жения — отсутствием тока, т. е.

(6.7)

Здесь— величина напряжения, определяемая из выражения(6.3).

При принятых выше условиях,., когда амплитуда напряжения несущей частоты со много больше амплитуд напряжений модули­рующих частотных составляющих Q, можно считать, что переход от положительной ветви вольтамперной характеристики к отрица­тельной обусловливается изменением знака напряжения несущей частоты. В этом случае на выходе преобразователя будет иметь место изменение сигнала.

Для однотактного диодного ПЧ характерна большая «засоренность» побочными продуктами, избавиться от которых с помощью фильтра очень трудно. Особенно это касается подавления мощного компонента несущей частоты и ее гармоник.

Вследствие этого обычно используют балансные (двухтактные) схемы ПЧ, в которых удается схемным путем существенно подавить (ослабить) гармоники генератора. В последовательном диодном балансном ПЧ при симмет­рии полуобмоток трансформаторов Т1 Т2 и диодов VD\, VD2 (см. рис. 4.5 а) в выходной обмотке Т₂ напряжение генератора наводиться не будет, так как магнитные потоки, вызванные противонаправ- ленными токами , взаим­но компенсируются.

Следовательно, на выход фильтра гармоники генерато­ра (частоты = 1, 2,...) не поступают, что позволяет значительно упрос­тить требования к фильтру.

Форма сигнала в такой схеме ПЧ может быть качественно определена из схемы электромеханического аналога, где диодные ключи Kл₁ и Кл₂ (см. рис. 6.6, б) работают в фазе. Очевидно, будет такой же, как на рис. 4.5, в.

При анализе спектра балансный ПЧ может быть представлен как два однотактных (ОПЧ) (см. рис 6.6, в), где(за счет Т]), а выходные сигналы объединяются (вычитаются) за счет Т₂. Полагая, что коэффициенты пере­дачи ОПЧ1 и ОПЧ2 равны и синфазно изменяются во времени, получим

..10)

Рис. 6.5

Можно утверждать, что спектр балансного ПЧ совпадает с малосигнальным спектром однотактного ПЧ (рис. 6.5, г). Крести­ком отмечены подавленные гармоники несущей.

Параллельный балансный диодный ПЧ, варианты построения которого по­казаны на рис. 4.6, позволяет устранить один дифференциальный трансформа­тор (на рис. 4.6, а это T₁), а мостовой диодный балансный ПЧ (см. рис. 4.7) позволяет вообще исключить трансформаторы со средней точкой.

Рис. 6.6

В попереч­но-мостовой схеме (см. рис. 6.7, а) сигнал генератора не поступает на выходную обмотку Т₂ из-за применения уравновешенного моста, диагонали которого раз­вязаны, т.е. напряжение в диагонали аЬ от генератора равно нулю, аналогично равно нулю в диагоналиcd напряжение от источника сигнала . Указанное свойство, которое выполняется и для предыдущих вариантов балансных ПЧ, позволяет питать несколько схем ПЧ от одного общего генератора. Вариан­ты ПЧ на рис.6.6, в и 6.7, Сработают по принципу последовательного ключа (см. рис. 6.5, б).

Рис. 6.7

Электромеханическим аналогом схем на рис. 6.6, а, б и рис. 6.7, а является схема рис. 4.8, где диодный ключ Кл не разры­вает, как ранее, цепь прохождения сигнала от сечения 1—1 к 2—2, а шунтирует ее. Результат от этого не меняет­ся, поэтому и форма сигнала , и малосигнальный спектрв этих схемах такие же, как в последовательном балансном ПЧ (см. рис.6.5, г и 6.5, в).

Литература :

Осн. 1. [ 207-216 ]

Доп. 1. [ 182-184 ]

Контрольные вопросы

1. Классификация преобразователей.

2. Перечислите требования, предъявляемые к преобразователям частоты.

3. Какие особенности пассивных преобразователей?

4. Объясните принцип работы последовательного диодного балансного ПЧ.

5. Объясните принцип работы параллельного диодного балансного ПЧ.

6. Как работает ПЧ по поперечно-мостовой схеме?

7. Как работает ПЧ двойной балансно-мостовой схеме?

8. Как осуществляется симметрирование диодных балансных схем?

9. Объясните принцип работы транзисторной ПЧ.

10. Как работает транзисторный ПЧ по балансной и двойной балансно-мостовой схеме?

11. Объясните принцип работы ПЧ в цифровых МСП?