Диодные преобразователи
В схеме (рис. 6.1. 5.) диод является смесителем. Напряжение смещения на диоде задает источник Е. Под действием гетеродина периодически изменяются параметры диода и его крутизна, что приводит к преобразованию частоты.
Колебательный контур является фильтром, настроенным на fпч. Неполное подключение диода к контурам применяется для уменьшения шунтирующего действия диода. В зависимости от числа диодов в схеме преобразователя частоты и способу их включения различают простые схемы (с одним диодом) и сложные (два диода и более) - балансные и кольцевые схемы.
Балансная схема (рис.6.1.6.) содержит два диода, включенных синфазно по отношению к гетеродину и противофазно относительно источника сигнала. Напряжение на выходе балансного преобразователя в два раза больше, чем у простого диодного преобразователя. Балансные преобразователи применяют на сантиметровых волнах. На частотах до 100 МГц применяют кольцевые преобразователи, в которых диоды образуют кольцо с односторонней проводимостью. Выходной ток содержит только промежуточную частоту.
Транзисторные преобразователи частоты
В транзисторных преобразователях частоты используют биполярные или полевые транзисторы, крутизна которых изменяется под воздействием напряжения гетеродина.
Схема преобразователя частоты на транзисторе (рис.6.1.7.). Функции перемножителя (смесителя) выполняет транзистор, точнее р-n переход база-эмиттер. ВАХ транзистора квадратичная. Выходной ток транзистора (ток коллектора) пропорционален току базы, следовательно, для него справедливы формулы из п 1.1. В смесителе напряжения сигнала и гетеродина перемножаются. Подставив в эти формулы значения uc(t) и uг(t) (аналогично амплитудной модуляции), получим на выходе комбинационные частоты. Настраивая колебательный контур на частоту fпч=fг-fc, для которой напряжение на контуре будет максимальным, отфильтровываем остальные гармоники с частотами fc, fг, fc+fг, 2fc, 2fг.
Схема преобразователя частоты с отдельным гетеродином (рис.6.1.8.).
Смеситель состоит из биполярного транзистора VT1, включенного по схеме с общим эмиттером. Транзистор VT2, включенный по схеме с общим эмиттером, служит гетеродином, являющимся автогенератором с индуктивной обратной связью. Напряжение гетеродина подается в эмиттерную цепь транзистора VT1. Напряжение промежуточной частоты выделяется на двухконтурном фильтре.
Преобразователь с совмещенным гетеродином (рис.6.1.9.) представляет собой схему, в которой смеситель и гетеродин объединены в одном активном элементе. Преобразователь с совмещенным гетеродином имеет худшие параметры, так как трудно обеспечить нормальный режим работы одновременно для смесителя и для гетеродина. Напряжение сигнала подается через катушку связи Lcb с контура L1С1 на базу смесителя, включенного по схеме с общим эмиттером для частоты сигнала. Гетеродин выполнен по индуктивной трехточечной схеме. Контур гетеродина связан с коллекторной цепью транзистора катушкой Lcb. При одновременном действии в цепи эмиттер-база смесителя двух напряжений, происходит преобразование частоты и в коллекторной цепи образуется ток промежуточной частоты. Напряжение промежуточной частоты снимается с контура L3C3. Преобразователи частоты с совмещенным гетеродином используют в приемниках низкого класса, так как они имеют низкую стабильность.
Для поддержания частоты преобразования постоянной, приходится перестраивать частоту гетеродина с изменением частоты сигнала. Приемник настраивают одновременным изменением емкостей конденсаторов С1 и С2 контуров сигнала и гетеродина. Конденсаторы этих контуров конструктивно объединены в один блок и их емкости изменяются одновременно, вращением одной ручки. На схемах это условно показано пунктирной линией. Условие fпч=(fг-fc)=const называют сопряжением контуров. Это условие выполняется только в начале, конце и середине рабочего диапазона частот. Для получения разностной частоты в любой точке диапазона в схему гетеродинного контура включают дополнительные конденсаторы постоянной емкости. Практически во всех точках диапазона кроме начала, конца и середины наблюдается незначительное отклонение фактической частоты требуемой.
Транзисторы могут применяться в балансных схемах преобразователей частоты, обычно применяют полевые транзисторы. Широкое применение получили интегральные схемы, например, усилитель радиочастоты с преобразователем может быть реализован на ИМС К157ХА1, представляющий собой дифференциальный усилитель без коллекторных нагрузок.
Эффективность работы преобразователей принято характеризовать особым параметром - крутизной преобразования, равной отношению амплитуды тока промежуточной частоты на выходе преобразователя к амплитуде немодулированного напряжения сигнала, приложенного к входу. В практических расчетах считают, что под Uг дифференциальная крутизна Sдиф изменяется от 0 до Smax, следовательно, Sпp = Smax/p при rapмоническом изменении.
Коэффициент передачи (усиления) преобразователя Кпр = Sпp Zbxo Коэффициент усиления любого каскада в режиме преобразования в 3-4 раза меньше, чем в режиме усиления.
Расчёт преобразователя частоты сводится к определению частоты и амплитуды гетеродина, избирательности контура, коэффициента передачи или выходного напряжения сигнала при заданном входном сигнале и параметрах нелинейного элемента.
В супергетеродииных радиоприёмниках, в которых входной сигнал произвольной частоты преобразовывается в выходной сигнал более низкой и постоянной промежуточной частоты; применение ПЧ позволило значительно улучшить качественные показатели радиоприёмников. В технике электросвязи (многоканальная электросвязь), радиоэлектронике.
Выводы
1. Процесс переноса спектра сигнала в область более низких частот без изменения закона модуляции основан на перемножении двух сигналов с помощью нелинейного или параметрического элемента, с последующим выделением резонансной системой из спектра выходного сигнала комбинационной частоты, обычно разностной fпч=(fc-fг).
2. Для получения промежуточной частоты требуется смеситель (НЭ), вспомогательный генератор (гетеродин), колебательный контур.
3. Промежуточная частота должна находиться вне рабочего диапазона частот.
4. В супергетеродинном приемнике существуют помехи от зеркального и других каналов.
Изучив тему "Преобразование частоты", студенты должны иметь представление: об условиях возникновения комбинационных частот; о принципе преобразования частоты должны знать.
о назначении нелинейных элементов в схемах преобразователей частоты; уметь;
строить временные и спектральные диаграммы на входе и выходе ПЧ; вычерчивать схемы преобразователей с отдельным и совмещенным гетеродином, объяснять принцип работы схем; выполнять расчет преобразователей частоты, иметь навыки; по построению спектральных диаграмм для преобразователей частоты.
Контрольные вопросы
1. Нарисуйте обобщенную схему преобразователя частоты и объясните принцип работы преобразователя.
2. На примере спектральных диаграмм поясните принцип работы преобразователя частоты.
3. Как образуется зеркальная помеха и как с ней бороться?
4. Как определить крутизну преобразования и коэффициент передачи преобразователя?
5. Нарисуйте схему преобразователя частоты с отдельным гетеродином, объясните его работу.
6. Расскажите об особенностях схемы преобразователя частоты, когда смеситель и гетеродин объединены в одном активном элементе. Сравните различные схемы преобразователя частоты.
7. Когда и где используют преобразователи частоты в технике связи?
8. Радиостанция работает 1). на частоте 1МГц (зоо м), 2). На частоте 200кГц (1500 м) определите частоту гетеродина.
