11

Глебов Д.М., Сутырин А.О., Фирсов В.С., Шевяков М.М.

Лабораторная работа исследование преобразователя частоты

Цель работы - ознакомление с принципом действия, основными параметрами и разновидностями преобразователей частоты, методами борьбы с паразитными каналами приема, образующимися при преобразовании частоты.

1. Общие положения

Преобразователем частоты называется устройство, осуществляющее перенос спектра сигнала из одной области частот в другую при сохранении формы спектра. Необходимость в подобном устройстве возникает при построении супергетеродинного радиоприемника, где основная частотная селекция и усиление сигнала осуществляются в усилителе с фиксированной частотой настройки f_пр. Последовательно выделяя и преобразуя на промежуточную частоту f_пр входные сигналы различных частот, можно производить перестройку приемника в пределах заданного частотного диапазона.

Преобразование частоты можно рассматривать как результат перемножения напряжения входного сигнала U_c=U_mсCOS(2f_сt+_с) и напряжения гетеродина U_г=U_mгCOS(2f_гt+_г). Гетеродинное напряжение вырабатывается с помощью входящего в состав преобразователя частоты внутреннего генератора - гетеродина. В результате перемножения на выходе преобразователя получается напряжение преобразованной частоты

U_п=К_п U_mпCOS(2f_пt+_п), (1)

где К_п- постоянный коэффициент, зависящий от параметров преобразователя. При точной настройке приемникаf_п=f_пр.

Частота гетеродина f_гможет быть выбрана выше или ниже частоты сигналаf_с. Еслиf_г>f_с, тоf_п=f_г-f_си_п=_г-_с. При этом имеет место инвертирующее преобразование частоты. Если жеf_с>f_г, тоf_п=f_с-f_ги_п=_с-_ги имеет место неинвертирующее преобразование частоты. Амплитуда, частота и фаза преобразованного напряжения имеют тот же закон изменения, что и аналогичные параметры напряжения сигнала. При инвертирующем преобразовании обратным становится лишь знак (направление) изменения частоты и фазы преобразованного сигнала. Это означает, что при преобразовании модулированных сигналов закон модуляции не нарушается.

Перемножение напряжений сигнала и гетеродина может быть осуществлено с помощью нелинейного элемента или линейной параметрической цепи (т.е. цепи с переменными параметрами), изменяющей коэффициент передачи сигнала в соответствии с изменением мгновенного напряжения гетеродина U_г. На практике из-за имеющейся нелинейности перемножителя на выходе преобразователя появляется множество комбинационных составляющих напряжения с частотами

f_п=|nf_гmf_с|, (2)

где n и m - целые положительные числа.

На избирательной нагрузке выделяется напряжение одной из частот, которая и принимается за промежуточную частоту приемника f_п=f_пр.

Рассмотрим основные положения общей теории преобразования частоты.

Будем считать, что нелинейный элемент смесителя безынерционный. Тогда выходной ток смесителя i₂ можно представить как функцию трех переменных

i₂ =F(U_г,U_с,U_п). (3)

При нормальной работе смесителя напряжения U_си U_пмалы и функцию (3) можно разложить в ряд Тейлора по степеням малых переменных U_си U_п, ограничиваясь при этом тремя первыми членами ряда:

dF(U_г,0,0) dF(U_г,0,0)

i₂=F(U_г,0,0)+ U_с +  U_п. (4)

dU_с dU_п

Производные, являющиеся коэффициентами в (4), определяются при U_с=U_п=0, т.е. при наличии лишь напряжения гетеродина. Введем обозначения

dF(U_г,0,0) dF(U_г,0,0)

i_г=F(U_г,0,0); g₂₁=; g₂₂=.

dU_с dU_п

Поскольку величины i_г, g₂₁, g₂₂ определяются при наличии напряжения гетеродина, они являются периодическими функциями времени и каждая из них может быть представлена в виде ряда Фурье:

_

i_г =  I_гкCOS(2кf_гt); g₂₁ =  G_21кCOS(2кf_гt);

^к=0_^к=0(5)

g₂₂ =  G_22кCOS(2кf_гt)],

^к=0

где I_гк, G_21к, G_22к- соответственно амплитуды к-ой гармоники тока гетеродина i_г, проводимости прямого действия g₂₁и выходной проводимости g₂₂.

Подставив соотношения (5) в (4) с учетом выражений для U_с, U_г и U_п получим

_

i₂ =  I_гкCOS(2кf_гt) + 0,5U_mс  G_21к{COS[2(кf_г+f_с)t+_с] + COS[2(кf_г-f_с)t-_с]}+

^к=0 _ ^к=0 (6)

+0,5U_mпG_22к{COS[2(кf_г+f_п)t+_л] + COS[2(кf_г-f_п)t-_п]}.

^к=0

Из (6) следует, что выходной ток смесителя содержит комбинационные частоты f_п=|nf_гmf_с|.

Если смеситель работает в нелинейном режиме, то количество комбинационных частот на его выходе существенно возрастает. Нелинейный режим имеет место в случае, когда на входе смесителя действует сигнал с достаточно большой амплитудой, при которой из-за нелинейности вольтамперной характеристики смесителя появляются высшие гармонические составляющие частоты сигнала. При этом могут создаваться комбинационные частоты вида (2).

Преобразователь частоты можно представить в виде квазилинейного четырехполюсника, характеризуемого четырьмя Y-параметрами (в общем случае, при инерционном характере проводимости преобразующего элемента, эти параметры являются комплексными величинами) Y_11п, Y_12п, Y_21п и Y_22п. При этом входные и выходные токи (I_с, I_п) и напряжения (U_с, U_п) будут связаны выражениями

I_с=Y_11пU_с+Y_12пU_п; I_п=Y_21пU_с+Y_22пU_п. (7)

Из выражения (7) видно, что эквивалентные электрические схемы усилительного и преобразовательного каскадов по виду ничем не отличаются друг от друга. Поэтому аналогично усилительному каскаду можно определить внешние параметры преобразователя частоты: коэффициент передачи (прямого преобразования) K_пр; входную проводимость Y_вх; выходную проводимость Y_вых:

U_п Y_21п I_с Y_21п

K_пр=  = - ; Y_вх=  = Y_11п -Y_12п ;

U_сY_22п+Y_нU_сY_22п+Y_н

I_пY_12п(8)

Y_вых=  = Y_22п -Y_21п ,

U_п Y_11п+Y_и

где Y_н- проводимость нагрузки; Y_и- проводимость источника сигнала. В случае, когда можно пренебречь обратным преобразованием частоты (Y_12п=0), получаем: Y_вх=Y_11пи Y_вых=Y_22п. Коэффициент прямого преобразования по к-ой гармонике гетеродинного напряжения K_пркопределяется как отношение амплитуды напряжения промежуточной частоты к амплитуде входного сигнала K_прк=0,5G_21к/Y_н. Последнее выражение справедливо при Y_нмного больше Y_22н.

Частотной характеристикой преобразователя называется зависимость его выходного напряжения (или коэффициента прямого преобразования) от частоты подаваемого на вход сигнала при постоянном значении частоты гетеродина f_ги наличии на выходе смесителя частотно-избирательной цепи, настроенной на промежуточную частотуf_пр.

При неизменной частоте гетеродинных колебаний f_гв промежуточную частоту может быть преобразован целый ряд гармонических колебаний (сигнала и помех), воздействующих на смеситель. Таким образом, частотная характеристика преобразователя оказывается многогорбой. Из выражения (2) видно, что частоты экстремумов этой характеристики должны удовлетворять выражению

f=|(n/m)f_г(1/m) f_пр|, (9)

где m>0.

Для любой пары значений n и m (n(0, m(0) существуют две частоты f₁ и f₂, образующие одну и ту же промежуточную частоту f_пр. Эти частоты симметричны относительно частоты (n/m)f_г и отстоят друг от друга по частоте на 2f_пр/m.

Обычно в качестве частоты основного (полезного) канала приема выбирают одно из сочетаний между f_с, f_г и f_пр, при n=m=1, например, f_с=f_г-f_пр. Тогда симметричная относительно f_г частота (в нашем случае f_зк=f_г+f_пр) называется частотой зеркального канала f_зк. Канал, соответствующий n=0, m=1, т.е. f=f_пр, имеет название канала прямого прохождения и является также мешающим дополнительным каналом приема. Теоретически может существовать бесконечное число частот f, преобразующихся в промежуточную частоту fпр, и, следовательно, бесконечное число дополнительных каналов приема. Однако коэффициент преобразования для помех с частотами этих каналов обычно падает с ростом n, и особенно с ростом m.

Каналы приема - основной (f_с) и дополнительные для случая m=1 показаны на рис.1. Для уменьшения влияния дополнительных каналов приема в приемнике устанавливается

преселектор. Примерный вид частотной характеристики преселектора показан на рис.1 пунктирной кривой.

Преобразователь частоты приемника состоит из смесителя и гетеродина. Чаще используется схема с отдельным гетеродином, где можно подобрать оптимальные режимы работы, как для смесителя, так и для гетеродина. Однако в простых радиоприемниках используется и совмещенная схема, когда один усилительный элемент выполняет одновременно функции смесителя и гетеродина.

Схема простейшего транзисторного смесителя изображена на рис.2. Для уменьшения взаимного влияния сигнальных и гетеродинных цепей (гетеродин на схеме не изображен) напряжение гетеродина подается в цепь эмиттера, а сигнала - в цепь базы.

В радиоприемниках широкое применение находят балансные смесители. Типичная схема балансного смесителя на основе дифференциального усилителя приведена на рис.3. Напряжение сигнала поступает на базы транзисторов VT1, VT2 с симметричной вторичной обмотки трансформатора L1L2 в противофазе. На вход 2 подается напряжение гетеродина, при этом суммарный ток дифференциальной пары транзисторов VT1, VT2, а вместе с ним и крутизна этих транзисторов периодически изменяются с частотой гетеродина. При симметрии схемы напряжение гетеродина, в том числе и напряжение шумов гетеродина, отсутствует в выходной цепи смесителя. Кроме этого, балансный смеситель обладает повышенной помехоустойчивостью по отношению к некоторым дополнительным каналам приема. Так, в выходном токе отсутствуют четные гармоники напряжения, подаваемого на вход 1. Ввиду этого не оказывают мешающего действия помехи, частоты которых соответствуют четным значениям m в выражении (9). При подаче на вход 1 гетеродинного напряжения, а на вход 2 напряжения сигнала подавляются дополнительные каналы, возникающие с участием четных гармоник гетеродина.

Следует отметить, что наиболее опасной помехой является зеркальный канал приема. Он расположен довольно близко по частоте к основному каналу приема и имеет равный с ним коэффициент передачи. Если требуется повышенная избирательность по зеркальному каналу, можно улучшить избирательные свойства преселектора или увеличить используемую в приемнике промежуточную частоту. Радикальным методом является применение преобразователя частоты с фазовым подавлением зеркального канала. Структурная схема такого преобразователя приведена на рис.4.

Рассмотрим работу этой схемы. Пусть частота гетеродина в приемнике выбрана выше частоты сигнала. Начальные фазы напряжений сигнала, зеркального канала и гетеродина в различных точках структурной схемы показаны с помощью векторов U_с, U_зк и U_г. Входное напряжение преобразователя, содержащее сигнал и зеркальную помеху, поступает на вход балансных смесителей БС1 и БС2. Напряжение гетеродина Г подается на эти же смесители через фазовращатели ФВ1 и ФВ2, вносящие фазовый сдвиг -45 и +45 градусов соответственно. В смесителях при преобразовании разность начальных фаз гетеродина и сигнала определяет начальную фазу сигнала промежуточной частоты на их выходах. В то же время начальная фаза зеркального канала, преобразованного на промежуточную частоту, равна разности начальных фаз зеркального канала и гетеродина. Этим объясняется то, что на промежуточной частоте после смесителей БС1 и БС2 относительные фазовые сдвиги сигнала и зеркального канала имеют различные знаки. В фазовращателях ФВ3 и ФВ4 вносятся дополнительные фазовые сдвиги +45 и -45 градусов, после чего простое сложение напряжений верхнего и нижнего каналов приводит к удвоению сигнала и уничтожению зеркальной помехи.

Рассмотрим канал прямого прохождения (f=f_пр). Подавление этого паразитного канала, как и других, происходит в преселекторе. Однако часто этого недостаточно, и в приемнике на входе смесителя устанавливается заграждающий фильтр, настроенный на частоту f_пр. В балансном смесителе (рис.3) при подаче сигнала на вход 2 канал прямого прохождения при точной балансировке схемы отсутствует.