Список используемых источников

1 Ушаков П.А. Цепи и сигналы электросвязи: учебник для студ. учреждений сред.проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 352 с. ISBN 978-5-7695-5669-2

2 Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс. Учебное пособие. – М.: ФОРУМ, 2011. – 432 с. ISBN5-8199-0151-7

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6  ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ (ПЧ) И СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИГНАЛОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

 

Цель работы: исследовать схемы преобразователей частоты, частотные характеристики ПЧ, спектры сигналов на выходе ПЧ.

Студент должен:

знать:

- общий принцип преобразования частоты;

- структурную схему преобразователя;

- принцип умножения;

- спектр отклика умножителя частоты;

Уметь:

- снимать АЧХ преобразователей частоты

- строить спектры сигналов ПЧ

Приборы и оборудование: ПК, программное обеспечение MathCad 12, САПР EWB.

 

ЗАДАНИЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

 

Выполнить компьютерное моделирование одной из схем преобразователей частоты на примере умножителя частоты.

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Преобразование частоты –это процесс линейного переноса спектра сигнала из одной радиочастотной области в другую. Чаще такой перенос осуществляется в низкочастотную область. Линей­ность этого процесса проявляется в том, что при преобразовании частоты вид модуляции и параметры сигнала в некотором дина­мическом диапазоне остаются неизменными, а коэффициент пе­редачи ПЧ не зависит от уровня преобразуемого радиосигнала.

Структура преобразователей частоты. Структурная схема ПЧ изо­бражена на рисунке 1. Преобразователь содержит нелинейный элемент и вспомогательный источник высокочастотного колебания, назы­ваемый гетеродином. Нелинейный элемент (диод, транзистор, элек­тронная лампа), преобразующий колебания сигнала с помощью гетеродина, называют смесителем. В состав ПЧ входит также ЧИС (частотно-избирательная система), необходимая для выделения полезного продукта преобразования. В простейшем случае ЧИС представляет собой параллельный коле­бательный контур.В общем случае преобразование частоты можно рассматривать как результат перемножения напряжения сигнала и напряжение гетеродина с коэффициентом передачи Кпр.

(1)

Очевидно, что выходное напря­жение в результате преобразования будет иметь частотную ком­поненту с частотой, равной сумме частот сигнала и гетеродина, и составляющую с разностной частотой. В случае f_г>f_с говорят о верхней, а при f_г<f_с– о нижней настройке гетеродина.

Если на выход смесителя включить избирательную систему (ко­лебательный контур), то можно выделить частотную компоненту с промежуточной или преобразованной частотой f_пр = fс-fг (по модулю).

Рисунок 1 – Структурная схема преобразователя частоты

 

Виды преобразователей частоты. По характеру проводимости не­линейного элемента различают преобразователи с активной и ре­активной проводимостью.

Преобразователи частот с активной проводимостью выполня­ют на транзисторах и смесительных диодах. Напряжение гетероди­на изменяется преимущественно в области прямого тока диода. В этом случае главную роль играет нелинейная проводимость дио­да, поэтому такой преобразователь называют резистивным диод­ным преобразователем.

При выполнении ПЧ на специальных параметрических диодах реализуются параметрические усилители-преобразователи. Напря­жение гетеродина здесь изменяется преимущественно в области обратных токов диода (за счет напряжения смещения). Перемен­ным параметром является емкость обратного смещения р-n– пе­рехода диода. Такой преобразователь называется емкостным.

Если нелинейный элемент одновременно выполняет функции источника напряжения гетеродина и смесителя, то такая схема называется преобразователем частоты с совмещенным гетеродином или автодинным преобразователем. Поскольку оптимальные режи­мы работы активного элемента для генерирования и преобразования частоты неодинаковы, то лучшими характеристиками обла­дают преобразователи с отдельным гетеродином.

Параметры преобразователей частоты. В преобразователях час­тоты различают внешние и внутренние параметры. К внешним па­раметрам относятся:

коэффициент передачи преобразователя частоты К_пр = U_пр/ Uс;

входная Y_ВХ = I_С / U_С и выходная Y_Вых = I_пр /U_пр проводимости (комплексные);

коэффициент шума Ш_пр.

Частотной характеристикой ПЧ называется зависимость его вы­ходного напряжения (или коэффициента передачи) от частоты подаваемого на вход сигнала при постоянном значении частоты гетеродина.

Коэффициенты матрицы проводимости нелинейного элемен­та в режиме преобразования относят к внутренним параметрам преобразователя частоты

Умножение частоты высокочастотных колебаний. Генератор, представленный на рисунке 2 и 3, можно использовать для умножения частоты ВЧ колебаний.

 

Рисунок 2 –Структурная схема

Рисунок 3 – Принципиальная схема

 

В этом случае колебательный контур, включенный на выходе электронного прибора, настраивается на частоту требуемой гармоники сигнала. Так при умноже­нии частоты в два раза контур настраивается на частоту fр = 2f, где f– частота входного сигнала, при умножении в три раза — на частоту fр = 3f и т.д. При умножении частоты может использо­ваться только нелинейный режим работы генератора, поскольку в линейном режиме гармоники не образуются. КПД генератора определяется по формуле, (n = 1, 2...)

=

=

(1)

где g_n, = I_n / I₀– коэффициент формы тока;

x_n = U_n / E₀– коэффи­циент использования напряжения;

In– амплитуда n-й гармоники тока;

Iо – постоянная составляющая тока;

Un– амплитуда n-й гармоники напряжения;

Е₀– напряжение источника постоянно­го тока.

Для каждого номера гармоники оптимальна своя форма им­пульса тока, при которой коэффициент формы максимален. Так при косинусоидадьном импульсе оптимальное значе­ние угла отсечки θ_ОПT = 120°/n, где n– номер гармоники.

Другой способ умножения частоты (за счет нелинейной емко­сти закрытого р-n–перехода).

 

ПОЯСНЕНИЯ К РАБОТЕ

Частота входного сигнала, подаваемого с генератора, равна: Fвх=30NкГц. Здесь и далее N – номер варианта. Амплитуда входного гармонического сигнала равна 1 В. Коэффициент умножения n умножителя частоты лежит в диапазоне от 2 до 4. Перед расчетом на ЭВМ необ­ходимо по указанным исходным данным определить параметры коле­бательного контура, добротность которого 20<Q< 40.

Примечание. Добротность параллельного контура равна Q = Rс/ρ, где Rс – суммарное сопротивление потерь в контуре, рав­ное сопротивлению параллельно соединенных коллекторного и внеш­него нагрузочного резисторов умножителя, – характери­стическое сопротивление контура.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Собрать схему УЧК.

Схема нелинейной цепи – умножителя частоты показана на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Схема умножителя частоты колебаний (УЧК)

 

2 Получить графики входного и выходного сиг­налов. Сравнивая эти графики, убедиться в правильной работе умно­жителя частоты. Зарисовать эти графики с указани­ем масштабов по осям.