Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 25 (всего у книги 29 страниц)

Как работает сеточный детектор

Схема сеточного детектора представлена на рис. 11.12. В детекторе этого типа выпрямление происходит в цепи сетки, причем сетка и катод действуют в качестве диодного детектора, сопротивлением нагрузки которого является цепочка R_сC_с. Постоянная времени подобрана таким образом, что напряжение смещения лампы, возникающее в результате протекания тока сетки, изменяется в соответствии с изменением огибающей модуляции.

Полученное в результате детектирования напряжение с частотой модулирующего сигнала усиливается в анодной цепи лампы, поэтому сеточное детектирование характеризуется высокой чувствительностью.

Рис. 11.12. Схема сеточного детектора R_сC_с

Каковы основные черты частотной модуляции?

При частотной модуляции модулирующий сигнал не изменяет амплитуды несущего колебания, а вызывает лишь изменение его мгновенной частоты (рис. 11.13). Мгновенное значение несущей частоты зависит от амплитуды модулирующего сигнала, тогда как скорость, с которой происходят изменения несущей частоты, определяется частотой модулирующего сигнала. Предположим, что несущая частота составляет 50 МГц, а амплитуда синусоидального модулирующего сигнала равна 1 В. Допустим далее, что под влиянием положительного модулирующего напряжения частота возрастает максимально до 50,1 МГц, а под влиянием максимального отрицательного – убывает до 49,9 МГц.

В каждом периоде модулирующего сигнала мгновенное значение частоты изменяется в пределах 49,9—50,1 МГц такое количество раз в секунду, какова частота модулирующего колебания. Если бы амплитуда модулирующего напряжения составляла 2 В, частота несущего колебания изменялась бы в пределах 49,8—50,2 МГц.

Рис. 11.13. Формы колебаний при частотной модуляции:

_{а – модулирующее; б – частотно-модулированное}

Приведенный пример является иллюстрацией общего принципа частотной модуляции, из которого следует, что амплитуда модулирующего напряжения определяет отклонение несущей частоты в одном направлении, или девиацию частоты, Δω. Из этого принципа также следует, что девиация частоты Δω содержит информацию об амплитуде или уровне модулирующего сигнала. Характерным для частотной модуляции понятием является индекс модуляции, определяемый как отношение девиации Δω к модулирующей частоте Ω:

М_Ч = Δω/Ω

Индекс модуляции принимает разные значения. Принятый стандарт частотной модуляции характеризуется индексом модуляции, определяемым отношением максимально допустимой девиации Δω_mахк максимальной модулирующей частоте,

М_Чmax = Δω_max/Ω_max

Например, в принятом в ПНР телевизионном стандарте максимальная девиация несущей частоты звукового сопровождения составляет 50, а максимальная по модулирующей частоте 15 кГц. Отсюда М_Чmax = 50/15 = 3,33.

Каков спектр у частотно-модулированного сигнала?

Спектр частотно-модулированного сигнала принципиально отличен от спектра амплитудно-модулированного сигнала. Он также имеет линейный характер, однако число линий значительно больше.

При амплитудной модуляции наблюдались только две боковые частоты, отстоящие от несущей и а значение модулирующей частоты.

Из математического анализа частотно-модулированного сигнала следует, что при частотной модуляции возникают пары боковых частот. Существуют верхняя и нижняя боковая частоты, соответствующие частоте модулирующего сигнала, и пары боковых частот, соответствующие второй, третьей и последующим гармоникам сигнала. Имеется также составляющая несущей частоты. Распределение амплитуд отдельных спектральных линий зависит от индекса модуляции М_Ч, а их число теоретически бесконечно велико. На практике спектральные линии высших порядков (соответствующие высшим гармоникам модулирующего сигнала) не принимаются во внимание, поскольку их амплитуды очень малы. Для примера на рис. 11.14 представлен спектр сигнала, промодулированного по частоте низкочастотным сигналом 7,5 с девиацией 75 кГц (М_Ч = 10).

Для практических целей ширину спектра при частотной модуляции рассчитывают по формуле

2Δω = В = 2Δω_max + 2Ω_max + 2√(Ω_max·Δω_max)

В стандарте, в котором Δω_max = 2π·50 кГц, а Ω_max =2π·15 кГц кГц, ширина спектра В = 185 кГц.

Ширина спектра частотно-модулированного сигнала достаточно велика. Именно по этой причине частотная модуляция применяется в диапазоне метровых волн, соответствующем частотам от 50 МГц,

Каковы преимущества частотной модуляции?

Главным преимуществом частотной модуляции является значительное уменьшение чувствительности сигнала к помехам. Исходя из того, что большинство помех амплитудного характера добавляется к сигналу, который, по определению, имеет постоянную амплитуду, появляются условия для их эффективного устранения, например, методом ограничения амплитуды.

Кроме того, поскольку амплитуда частотно-модулированного сигнала постоянна, а девиация частоты пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала, можно передавать полную динамику сигнала, т. е. как наименьшие, так и наибольшие значения. При амплитудной модуляции этого не могло быть, поскольку глубина модуляции не могла быть ни слишком малой, ни слишком большой, если учитывать шумы и помехи в первом случае, а во втором – возможность перемодуляции передатчика.

Весьма существен и тот факт, что в результате постоянной амплитуды частотно-модулированного сигнала выходная мощность передатчика остается все время одной и той же. Это создает возможности экономичного решения и экономичной работы передатчика.

Напомним, что передатчик амплитудно-модулированного сигнала с номинальной мощностью около 10 кВт должен быть приспособлен отдавать при 100 %-ной модуляции среднюю мощность 15 и пиковую 40 кВт.

Система с частотной модуляцией является высококачественной и предназначена главным образом для верной передачи звуковых сигналов. Отсюда ее широкое распространение в моно– и стереофоническом радиовещании на ультракоротких волнах.

В чем состоит принципиальное различие между фазовой и частотной модуляцией?

При фазовой модуляции не частота, а фаза несущего колебания линейно зависит от мгновенного значения модулирующего колебания. Девиация фазы при этом не зависит от частоты модуляции. Однако из-за того что между изменением фазы и частоты существует непосредственная зависимость, девиации фазы при фазовой модуляции сопутствует девиация частоты, которая пропорциональна модулирующей частоте. Напомним, что при частотной модуляции девиация частоты не зависит от модулирующей частоты. Несмотря на эти отличия, ясно, что фазовая и частотная модуляции действуют одновременно, так как связаны между собой. Можно также показать, что индекс модуляции идентичен с индексом девиацией фазы.

В связи с этим спектральное распределение в частотной и фазовой модуляции одно и то же, хотя расположение спектральных линий отличается. Исходя из взаимного подобия можно легко переходить с одного вида модуляции на другой. Обычно фазовую модуляцию используют только на переходном этапе до получения «чистой» частотной модуляции.

Как получают частотную модуляцию?

Существует несколько методов получения частотно-модулированных сигналов. Непосредственный метод заключается в изменении емкости или индуктивности резонансного контура генератора в такт с изменениями модулирующего сигнала. Примером, иллюстрирующим этот метод, служит емкостный микрофон, включенный в резонансный контур генератора. Наиболее удобная форма реализации этого метода заключается в подключении параллельно резонансному контуру реактивной схемы, реактивное сопротивление которой изменяется при изменении модулирующего сигнала. Реактивной схемой может быть лампа или транзистор, работающие по специальной схеме включения, или емкостный диод.

Примером реактивного транзистора является схема, изображенная на рис. 11.15.

Рис. 11.15. Схема реактивного транзистора

Для упрощения в ней опущены все блокировочные конденсаторы и цепи смещения. Характерным для этой схемы является делитель, состоящий из конденсатора С и резистора R, подобранный таким образом, чтобы выполнялось условие Х_с >> R. Схема усилителя, работающего совместно с этим делителем, отличается тем, что переменное напряжение вводится извне (от генератора) в цепь коллектора и оценивается влияние этой схемы на фазе тока, протекающего под воздействием приложенного напряжения. Оказывается, что в результате фазового сдвига, вносимого конденсатором С, ток коллектора на 90 опережает напряжение на коллекторе. Подобная зависимость между напряжением и током характерна для емкости, т. е. схема ведет себя как конденсатор. Эквивалентная емкость выражается формулой С_экв = RC/h_11б и, следовательно, обратно пропорциональна h_11б. Если h_11б изменяется под влиянием приложенного к базе транзистора модулирующего напряжения, то изменяется и эквивалентная емкость реактивного транзистора, подключенного параллельно к резонансному контуру генератора, т. е. происходит модуляция частоты. Аналогично действует схема с емкостным диодом (рис. 11.16).

Рис. 11.16. Частотный модулятор с емкостным диодом

Емкость диода меняется при изменениях обратного напряжения смещения диода. Начальное обратное напряжение подводится к диоду от делителя R₁R₃, шунтированного конденсатором C₁. Резистор R₂ развязывает схему питания от резонансного контура генератора. Мгновенное значение напряжения на емкостном диоде является суммой напряжения смещения и напряжения низкой частоты, подведенного с помощью трансформатора. В результате к LC-контуру генератора параллельно подключается переменная емкость. Из-за того что приращение емкости ΔС емкостного диода изменяется вместе с изменением модулирующего сигнала, частота колебаний генератора подвергается изменению, пропорциональному амплитуде сигнала.

Помимо представленных методов непосредственной модуляции применяется метод косвенной частотной модуляции, позволяющий поддерживать соответствующее постоянство несущей частоты при отсутствии модуляции. Для осуществления такого метода используются модулятор Армстронга (косвенный частотный модулятор – прим. перев.), снабженный кварцевым генератором, и схемой фазовой модуляции, вырабатываемой путем суммирования сдвинутых на 90° боковых полос амплитудной модуляции с несущей. В результате использования схемы, позволяющей перейти от фазовой модуляции к частотной, и ограничения амплитуды выходного сигнала получают сигнал с чистой частотной модуляцией.

На каком принципе работают частотные демодуляторы?

Большинство используемых частотных демодуляторов, служащих для получения модулирующего сигнала из частотно-модулированного, работает на принципе преобразования изменений частоты в изменения амплитуды и последующего детектирования сигнала с амплитудной модуляцией с применением обычных методов. Известны также частотные демодуляторы, работающие на принципе счета импульсов, а также более сложные демодуляторы, выполняемые в виде интегральных микросхем.

Характерным для техники частотной демодуляции является то, что собственно демодулятору, как правило, предшествует ограничитель амплитуды. Задачей ограничителя является исключение изменений сигнала, вызванных мешающими сигналами, для эффективного подавления на выходе демодулятора.

Как действует ограничитель амплитуды?

Простым ограничителем служит усилитель, управляемый сигналом, превышающим уровень максимального (без искажений) возбуждения транзистора между отсечкой и насыщением. Транзистор, работающий в схеме ограничителя, представлен на рис. 11.17, б и в.

Рис. 11.17. Транзисторный ограничитель:

_{а – электрическая схема; б – рабочий диапазон на плоскости коллекторных характеристик; в – характеристика ограничения}

В рабочей точке А ограничителя применяется относительно низкое напряжение, питающее коллектор. Если входной сигнал превышает пределы В и С, дальнейшее увеличение уровня выходного сигнала за этими пределами невозможно. Наименьший входной сигнал, который вызывает ограничительное действие ограничителя, называется порогом ограничении. Сигналы больше порогового, т. е. выше точки D, срезаются (ограничиваются) сверху и снизу. Резонансный контур, включенный в цепь коллектора, возвращает им синусоидальную форму.

Какая схема у простого частотного детектора?

Наиболее простым частотным детектором является детектор, работающий на скате амплитудной характеристики резонансного контура. Принцип работы такого детектора изображен на рис. 11.18.

Рис. 11.18. Принцип работы частотного детектора, работающего на скате резонансной кривой

Резонансный контур отстроен от несущей частоты подведенного частотно-модулированного сигнала. Если частота этого сигнала меняется по синусоидальному закону в соответствии с изменением модулирующего сигнала, то ток в контуре также меняется синусоидально, возрастая при приближении частоты сигнала к резонансной частоте контура и убывая при удалении частоты сигнала от значения, соответствующего резонансу. При таком решении выходной сигнал является амплитудно-модулированным. На выходе схемы амплитудного детектирования получаем модулирующий сигнал.

Из-за нелинейности ската амплитудной характеристики резонансного контура и связанных с ней искажений демодулированного сигнала, а также большой чувствительности схемы к амплитуде входного сигнала эта простая схема детектора не используется.

Как действует частотный дискриминатор?

Частотный дискриминатор является одной из наиболее часто используемых схем частотной демодуляции. Схема такого дискриминатора представлена на рис. 11.19.

Рис. 11.19. Частотный дискриминатор

Сигнал постоянного уровня подается с ограничителя на связанные резонансные контуры, настроенные на одну и ту же резонансную частоту, равную несущей частоте модулированного колебания. Работа дискриминатора основывается на сдвиге фазы напряжений на первом и втором контурах полосового двузвенного фильтра. Разность фаз этих напряжений составляет 90° на резонансной частоте контуров, а за резонансом изменяется вместе с изменением частоты. Благодаря двойной связи между контурами, индуктивной и непосредственной через конденсатор С₃ с большой емкостью, первичное и вторичное напряжения суммируются особым способом и подаются на встречно работающие амплитудные детекторы. Высокочастотный дроссель замыкает цепь для постоянного тока.

Переменное напряжение, подведенное к верхнему диоду Д₁, является векторной суммой первичного напряжения АВ и половины вторичного напряжения DE, изображенной вектором М (рис. 11.20).

Рис. 11.20. Принцип действия фазового дискриминатора:

_{а – векторная диаграмма при f = f0; б – векторная диаграмма при f > f0; в – векторная диаграмма при f < f0; г – характеристика дискриминатора}

Соответственно переменное напряжение, подведенное к нижнему диоду Д₂, является векторной суммой первичного напряжения АВ и второй половины вторичного напряжения DC, образующей вектор N. Нагрузочные сопротивления детекторов R₁ и R₂ одинаковы. На резонансной частоте (рис. 11.19, 11.20) переменные напряжения М и N равны друг другу, а следовательно, равны и выходные постоянные напряжения на резисторах R₁ и R₂. С учетом встречного включения диодов эти напряжения имеют, однако, противоположный знак, в связи с чем результирующее напряжение на всей нагрузке равно нулю. Это значение представляется точкой О на рис. 11.20, г.

Если частота входного сигнала больше резонансной, напряжения АВ и СЕ благодаря действию ограничителя остаются неизменными, однако изменяется разность фаз между ними. Напряжение М (рис. 11.20, б), подведенное к верхнему диоду, больше, чем напряжение N, подведенное к нижнему диоду. В итоге результирующее напряжение на резисторах R₁ и R₂ положительно, что соответствует точке у на рис. 11.20, г.

Если частота входного сигнала меньше резонансной, то фазовые соотношения между напряжениями таковы, как на рис. 11.20, в, и результирующее напряжение на резисторах R₁ и R₂ отрицательно (точка х на рис. 11.20, г). Характеристика дискриминатора представлена во всем интервале изменения частоты около резонансного значения. В большом интервале изменений частоты характеристика линейна, т. е. существует пропорциональность между частотой и выходным напряжением. Прямолинейный участок является рабочим участком характеристики дискриминатора. Вне его характеристика нелинейна. Если изменения частоты выходят за пределы, определяемые точками тип, работа происходит уже за пределами полосы пропускания связанных контуров и выходное напряжение убывает до нуля. Вся характеристика по форме близка к латинской букве S.

Что такое детектор отношений?

Схема детектора отношений представлена на рис. 11.21. Она похожа на схему фазового дискриминатора. Разница заключается в последовательном соединении диодов, использовании электролитического конденсатора, включенного параллельно нагрузочным резисторам, и сложении первичного напряжения со вторичным посредством третьей катушки L₃.

Рис. 11.21. Детектор отношений

Если изменение входного сигнала меньше, чем напряжение, действующее на электролитическом конденсаторе, диоды не могут проводить и на нагрузке не возникает напряжения сигнала. В любом случае напряжение на нагрузке не может быть больше, чем напряжение на конденсаторе, следовательно, схема детектора отношений действует так же, как ограничитель напряжения.

В условиях работы с ограничением сумма напряжений на конденсаторах C₁ и С₂ равна напряжению на электролитическом конденсаторе. Напряжение U_С1 равно амплитуде напряжения, подведенного к диоду Д₁, а напряжение U_C2 – соответственно амплитуде напряжения, подведенного к диоду Д₂. На резонансной частоте напряжения U_С1 и U_C2 равны и выходное напряжение, снимаемое между точками А и В, равно нулю.

Если частота сигнала больше резонансной, то переменное напряжение на диоде Д₁ больше, чем на диоде Д₂, и выходное напряжение положительно. При частоте меньше резонансной это напряжение отрицательно. Сумма напряжений U_C1 и U_C2 постоянна, поэтому изменения напряжений U_С1 и U_С2 делятся пропорционально, отсюда и название схемы – детектор отношений.

Статическая характеристика детектора отношений, как и у фазового дискриминатора, является S-образной кривой.

Что такое преобразование частоты?

Преобразование частоты, называемое также транспонированием спектра, является процессом, переносящим сигнал данной частоты (линейного или занимающего некоторый спектр) в диапазон других, обычно более низких частот.

Прежде всего преобразование частоты используется для упрощения процесса усиления сигнала. Известно, что технические трудности в создании многокаскадного усилителя с высокой избирательностью возрастают с ростом частоты. Они являются еще большими, если усилитель должен быть перестраиваемым. Поэтому целесообразны перенос интересующего нас сигнала, например от радио– или телевизионной станции, в диапазон более низких частот и построение усилителя, работающего именно в этом диапазоне частот.

На чем основывается преобразование частоты?

Преобразование частоты основано на взаимодействии в цепи нелинейного элемента (рис. 11.22) двух сигналов: сигнала, подвергаемого преобразованию, f_с и сигнала f_гет, подводимого от местного генератора (гетеродина). В результате возникают сигналы с частотами 2f_с, 2f_гет, f_гет + f_с, f_гет – f_с. Появилась также составляющая с частотой, являющейся разностью частот обоих смешиваемых сигналов. Эту составляющую можно легко выделить с помощью контура, настроенного на частоту f_гет – f_с.

Рис. 11.22. Преобразование частоты в цепи с диодом

Если f_с – модулированный сигнал, занимающий определенный частотный спектр, то в результате преобразования весь спектр сигнала будет перенесен в диапазон более низких частот. Эго наглядно представлено на рис. 11.23.

Разностная частота f_гет – f_с (чacтoта биений обоих сигналов) чаще называется промежуточной частотой f_пч. Таким образом, в результате преобразования двух сигналов с разными частотами получаем сигнал промежуточной частоты.

Рис. 11.23. Спектры колебаний в преобразователе частоты

Как работает супергетеродинный приемник?

Супергетеродинный приемник – это приемник, в котором используется процесс преобразовании частоты. На основе уже известных процессов усиления сигнала, генерирования напряжения высокой частоты, преобразования и детектирования можно понять действие приемника сигналов высокой частоты, такого как, например, радиоприемник и телевизор.

Структурная схема супергетеродинного радиоприемника представлена на рис. 11.24.

Рис. 11.24. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника

Принятые антенной сигналы высокой частоты поступают во входные контуры приемника, где происходит выбор желаемой станции. Выбранный сигнал после усиления в усилителе высокой частоты поступает в смеситель. Следует добавить, что усилитель высокой частоты является резонансным усилителем и совместно с входными контурами, так же настраиваемыми, обеспечивает предварительную избирательность приемника. Кроме того, он создает необходимое усиление сигнала перед процессом преобразования, что положительно влияет на отношение сигнал/шум на выходе приемника.

В более простых схемах приемников усилитель высокой частоты не применяется, и тогда сигнал поступает в смеситель непосредственно из входных контуров. Одновременно к смесителю подводится напряжение высокой частоты от гетеродина. Гетеродин создает напряжение, частота которого больше частоты принимаемого сигнала на значение промежуточной частоты. Гетеродин перестраивается совместно с входными контурами и усилителем высокой частоты, поэтому его частота всегда больше частоты выбранного сигнала. В результате смещения обоих сигналов в смесителе присутствует сигнал с промежуточной частотой f_пч, определяемый зависимостью f_с– f_гет =f_пч.

Сигнал промежуточной частоты усиливается в усилителе промежуточной частоты. Это перестраиваемый усилитель, работающий на постоянной частоте, с большим коэффициентом усиления и высокой избирательностью. Последний каскад усилителя промежуточной частоты управляет детектором. В результате детектирования получается низкочастотный сигнал, который после усиления в усилителе напряжения и усилителе мощности подается на громкоговоритель.

Рассмотренная структурная схема супергетеродинного радиоприемника является обобщенной схемой, относящейся к приемнику как амплитудно-модулированных, так и частотно-модулированных сигналов. В зависимости от типа приемника подвергаются изменению рабочий диапазон частот, схемное решение отдельных блоков, тип детектора и т. п.