20.Варианты схем преобразователей частоты: ключевой преобразователь на основе операционного усилителя, кольцевой диодный преобразователь частоты

На рисунке 4.2 приведена функциональная схема преобразователя частоты на операционном усилителе. Напряжение сигнала с частотой f_c поступает на инвертирующий вход операционного усилителя, а напряжение гетеродина – на вход преобразователя синусоидального напряжения в последовательность прямоугольных импульсов с уровнями логического нуля и логической единицы. Прямоугольные импульсы частоты гетеродина управляют электронным ключом, который соединяет неинвертирующий вход усилителя с корпусом.

Рисунок 4.2 – Преобразователь частоты на операционом усилителе

При замкнутом ключе и коэффициент передачи усилителя равен –1, а при разомкнутом ключе он равен 1. Это объясняется следующим. Так как в идеальном операционном усилителе входные токи равны нулю, то при разомкнутом ключе падание напряжения на R₃ равно нулю, следовательно, потенциал точки 3 равен потенциалу точки 1. Поскольку падение напряжения между входами идеального усилителя равно нулю, то потенциал точки 2 равен потенциалу точки 1, т.е. ток через R₂ отсутствует, а значит, отсутствует ток через R₄. Последнее означает, что потенциал точки 4 равен потенциалу точки 1.

На рисунке 4.3 показана зависимость мгновенного коэффициента передачи усилителя от времени.

Рисунок 4.3 – Временная зависимость мгновенного коэффициента передачи операционного усилителя

Эту зависимость можно представить рядом Фурье

,

где - амплитуда n-ой гармоники коэффициента передачи. Заметим, что при четных n амплитуда n-ой гармоники равна нулю.

При напряжение на выходе операционного усилителя равно

При напряжение промежуточной частоты на выходе преобразователя определится следующим соотношением

,

где R_вх- входное сопротивление полосового фильтра (ПФ) промежуточной частоты, а K_пф - его коэффициент передачи.

Следовательно, коэффициент передачи преобразователя равен

.

Резистор R₅ обеспечивает согласование на входе полосового фильтра, при малом выходном сопротивлении усилителя сопротивление резистора примерно равно входному сопротивлению фильтра. При преобразовании по первой гармонике , поэтому коэффициент передачи преобразователя равен

.

Достоинством преобразователя является отсутствие канала прямого прохождения (канала промежуточной частоты), т.к. отсутствует постоянная составляющая коэффициента передачи, и отсутствие побочных каналов приема, обусловленных четными высшими гармониками мгновенного коэффициента передачи операционного усилителя.

На рисунке 4.4 приведена принципиальная схема кольцевого диодного преобразователя частоты. Диоды V₁..V₄ образуют плечи моста. Напряжение сигнала поступает в одну из диагоналей моста, нагрузка – контур промежуточной частоты включен в другую диагональ моста, а между средними точками обмоток трансформаторов включен источник гетеродинных колебаний. Напряжение гетеродина существенно выше напряжения сигнала. Под действием этого напряжения изменяются сопротивления диодов. В положительный полупериод гетеродинного напряжения открываются диоды V₁ и V₃, точка 1 соединяется с точкой 2, а точка с точкой через малые сопротивления открытых диодов, мгновенный коэффициент передачи диодного моста равен 1. В отрицательный полупериод гетеродинного напряжения открыты диоды V₂ и V₄, точка 1 соединяется с точкой , а точка с точкой 2 через малые сопротивления открытых диодов, мгновенный коэффициент передачи диодного моста равен -1. Таким образом, по принципу работы этот преобразователь частоты подобен преобразователю частоты на операционном усилителе, но может работать на более высоких частотах.

Рисунок 4.4 – Кольцевой диодный преобразователь частоты

21. Общая теория преобразования частоты на безынерционных преобразующих элементах. Уравнения прямого и обратного преобразования. Параметры преобразователя частоты как четырехполюсника. Частотная характеристика преобразователя частоты

Преобразующий элемент можно считать безынерционным, если в рабочем частотном диапазоне его параметры не зависят от частоты.

В общем случае преобразователь частоты можно рассматривать как нелинейный шестиполюсник: пара полюсов предназначена для подключения источника сигнала, вторая пара – для подключения гетеродина, а третья пара – для подключения нагрузки – резонансной системы, настроенной на промежуточную частоту (рисунок 4.5). В общем случае в цепях сигнала, гетеродина и нагрузки могут быть источники постоянного смещения E_c, E_г, Е_пр.

Задачей общей теории является получение эквивалентной схемы преобразующего элемента как линейного четырехполюсника с входным напряжением сигнала и выходным напряжением промежуточной частоты и определение Y – параметров этого четырехполюсника.

Рисунок 4.5 – Преобразователь частоты как нелинейный шестиполюсник

При решении поставленной задачи учтем, что в безынерционном шестиполюснике входной и выходной токи являются однозначными функциями всех напряжений, приложенных к шестиполюснику

(4.1)

где

В отсутствии сигнала напряжения на входах шестиполюсника равны E_c, E_пр и e_г. Поэтому входной и выходной токи содержат постоянные составляющие и составляющие, изменяющиеся с частотой гетеродина и ее гармоник.

Разложим функции F_вх и F_вых в ряды Тейлора по степеням приращения входного и выходного напряжения, вызванных появлением входного сигнала, ограничившись первыми тремя членами разложения

Индекс «0» при производных означает, что производные определяются при отсутствии сигнала, но при наличии постоянного смещения и переменного напряжения гетеродина. Последнее означает, что эти производные являются периодическими функциями времени, период которых равен периоду гетеродинных колебаний.

Производная представляет собой изменяющуюся во времени входную проводимость - мгновенную проводимость , производная - мгновенная проводимость обратной передачи , производная - мгновенная крутизна , производная - мгновенная выходная проводимость.

С учетом принятых обозначений запишем выражения для приращений входного и выходного токов

Представим мгновенную крутизну и мгновенные проводимости рядами Фурье

Положим, что

Подставляя последние соотношения в выражения для приращения входного и выходного токов, получим

Приняв, что , в токе выделим составляющую частоты сигнала, а в токе - составляющую промежуточной частоты

Таким образом, амплитуды входного тока частоты сигнала и выходного тока промежуточной частоты определяются следующими соотношениями:

(4.2)

Полученные уравнения являются уравнениями линейного четырехполюсника.

Второе из приведенных выше соотношений называется уравнением прямого преобразования частоты, т.к. оно связывает входное напряжение частоты сигнала с выходным током промежуточной частоты.

Первое уравнение называется уравнением обратного преобразования, т.к. оно связывает выходное напряжение промежуточной частоты, появившееся за счет прямого преобразования, с входным током частоты сигнала.

Введем параметры преобразующего элемента как четырехполюсника.

1. Входной проводимостью преобразующего элемента называется отношение амплитуды входного тока частоты сигнала к амплитуде входного напряжения сигнала в режиме короткого замыкания на выходе. Входная проводимость численно равна постоянной составляющей мгновенной входной проводимости, изменяющейся во времени под действием напряжения гетеродина

.

2. Крутизной обратного преобразования называется отношение амплитуды входного тока частоты сигнала к амплитуде выходного напряжения промежуточной частоты в режиме короткого замыкания на входе. Крутизна обратного преобразования численно равна половине амплитуды n-ой гармоники мгновенной проводимости обратной передачи, изменяющейся во времени под действием напряжения гетеродина

.

3. Крутизной преобразования называется отношение амплитуды выходного тока промежуточной частоты к амплитуде входного напряжения сигнала в режиме короткого замыкания на выходе. Крутизна преобразования численно равна половине амплитуды n-ой гармоники мгновенной крутизны, изменяющейся во времени под действием напряжения гетеродина

.

4. Выходной проводимостью преобразующего элемента называется отношение амплитуды выходного тока промежуточной частоты к амплитуде выходного напряжения промежуточной частоты в режиме короткого замыкания на входе. Выходная проводимость численно равна постоянной составляющей мгновенной выходной проводимости, изменяющейся во времени под действием напряжения гетеродина

.

С учетом введенных параметров перепишем уравнения прямого и обратного преобразования

(4.3)

Обратное преобразование является специфическим видом обратной связи, отличающейся от обратной связи в усилителях. В усилителях частота колебаний на выходе равна частоте колебаний на входе. В преобразователях на входе действует напряжение с частотой сигнала, а на выходе – напряжение промежуточной частоты. Проникновение колебаний промежуточной частоты на вход преобразователя не является опасным, т.к. на входе имеется резонансная цепь, настроенная на частоту сигнала. Сопротивление этой цепи на промежуточной частоте близко к нулю, поэтому падение напряжения промежуточной частоты на входе отсутствует.

Ток частоты сигнала, образующийся на входе за счет обратного преобразования выходного напряжения промежуточной частоты, создает падение напряжения на входной резонансной системе, которое может быть в фазе или в противофазе с напряжением входного сигнала, что соответствует положительной или отрицательной обратной связи.

Уравнения (4.3) по форме не отличаются от уравнений, описывающих усилительный элемент (3.1). Поэтому эквивалентная схема преобразующего элемента отличается от эквивалентной схемы усилительного элемента только значениями параметров. Эта схема приведена на рисунке 4.6, где

, (4.4)

где Y_н – проводимость нагрузки.

Рисунок 4.6 – Эквивалентная схема преобразующего элемента

Совпадение по форме эквивалентной схемы преобразующего элемента с эквивалентной схемой усилительного элемента позволяет использовать все расчетные соотношения, полученные для резонансных усилителей, для расчета преобразователей частоты, заменив в них параметры режима усиления на аналогичные параметры в режиме преобразования. Методика нахождения параметров преобразующего элемента заложена в определении этих параметров, важнейшим из которых является крутизна преобразования.