Текст книги "Путеводитель в мир электроники. Книга 2"

Автор книги: И. Шелестов

Соавторы: Борис Семенов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 23 страниц)

Глава 12
РАДИОПЕРЕДАТЧИКИ ДЛЯ ДОМА

Одной из основных задача радиотехники является передача информации при помощи радиоволн. Из предыдущих глав вы уже знаете, как происходило развитие способов получения высокочастотного сигнала, который возможно превратить в радиоволну. С тех времен многое изменилось. Совершенствование элементной базы позволило делать радиопередатчики на любую мощность с небольшими размерами. А появление мобильной связи является поистине революционным событием в развитии цивилизации, свидетелями которого мы с вами являемся. В этом разделе рассмотрим, как можно построить современный радиопередатчик для разных целей и попробуем самостоятельно изготовить несколько простейших конструкций.

Об устройстве передатчиков и их основных узлах

Природу побеждают, только повинуясь ее законам.

Френсис Бэкон

Информация в технике связи может быть представлена только в двух видах: дискретном (называемом еще – цифровом) и непрерывном (аналоговом). К первым относятся телеграфные тексты, сигналы от включателей, импульсы в цепях компьютера. Текст этой книги – тоже дискретная форма представления информации. Для начала запомните, что информация в дискретном виде выдается порциями. Долгое время, кроме дискретного, других способов представления информации не существовало, так как получать и усиливать аналоговые сигналы еще не научились. Аналоговый вид – это непрерывный и зачастую медленно меняющийся во времени уровень сигнала, например от микрофона, телекамеры, термодатчика и тому подобных источников. Порцию в аналоговом сигнале выделить не удастся. Правда, существуют и активно используются способы преобразования, дискретного сигнала в аналоговый и наоборот, но об этом мы еще поговорим.

Принцип передачи информации по радиоканалу заключается в усилении исходного электрического сигнала до нужного уровня, а затем переносе его энергии с помощью процесса модуляции в спектр более высокочастотного колебания – так называемой несущей частоты.

Как выглядят сигналы с модуляцией амплитудной (AM) и частотной (ЧМ), было уже описано в главе 10 (Основы современного радиоприема). Фазовая модуляция мало отличается от частотной (оба эти типа модуляции являются разновидностями угловой модуляции) – фазовая используется только для организации цифровых каналов связи в специальной аппаратуре. Вас интересует, как можно получить частотно– или амплитудно-модулированный сигнал? Все довольно просто.

Любой радиопередатчик состоит из низкочастотного и высокочастотного блоков. В этой главе мы будем вести речь в основном о высокочастотной части, которая обычно состоит из нескольких типовых узлов. Их назначение и последовательность расположения зависят от того, какой вид модуляции мы хотим получить. На рис. 12.1 показано несколько структурных схем самых простых радиопередатчиков.

Рис. 12.1. Структурные схемы передатчиков:

_{а – простейший с AM или ЧМ; б – мощный с AM; в – мощный с ЧМ}

Простейший передатчик может состоять из задающего генератора (ЗГ), работающего прямо на антенну, и усилителя низкочастотного сигнала, который выполняет модуляцию прямо в ЗГ (за счет изменения режима его работы), рис. 12.1, а. Ожидать высокой стабильности частоты и большой выходной мощности от такой схемы не приходится, поэтому чаще применяют передатчики, состоящие из большего числа узлов, основными из которых являются: задающий генератор (ЗГ), усилитель мощности (УМ), блок управления (БУ) и блок, питания (БП). Иногда схема может содержать также буферный каскад, предоконечный усилитель, выходной фильтр и некоторые другие (рис. 12.1, б).

Буферный каскад используется для исключения влияния последующих каскадов на ЗГ. Перед УМ могут стоять дополнительные каскады, которые позволяют усилить ВЧ сигнал до нужного уровня (а могут и не стоять, если большая мощность не нужна). Все каскады должны быть согласованы между собой, для чего ставятся между ними соответствующие цепи (из конденсаторов, индуктивностей и резисторов).

Если необходим передатчик, работающий в нескольких диапазонах частот, то между задающим генератором и оконечным усилителем мощности используется преобразователь – умножитель или синтезатор частоты. В ЧМ передатчиках модуляцию выполняют в ЗГ, для чего обычно небольшое изменение резонансной частоты контура осуществляют с помощью варикапа. Работу всех основных узлов мы подробно рассмотрим на примере практических схем.

Основные требования, которые предъявляются к любительским передатчикам и на которые следует обратить особое внимание, следующие:

• стабильность частоты (допустимый уход частоты за определенный промежуток времени) или относительная нестабильность частоты;

• выходная мощность (для передатчиков, питающихся от батарей или аккумуляторов, типичный диапазон мощностей обычно находится в пределах 0,1…10 Вт);

• ширина полосного и уровень внеполосных излучений (внеполосное излучение является помехой для связи в соседнем канале; уменьшить их позволяет установленный на выходе передатчика фильтр).

Спектр полученного ВЧ сигнала зависит не только от вида используемой модуляции и спектра исходного сигнала (как вы уже знаете, спектр сигнала зависит от его формы), но и от принципа модуляции. В литературе вы наверняка встретите описание передатчиков, работающих в SSB режиме. Идея SSB режима очень проста – в этом случае специальными методами из спектра AM колебания «вырезают» несущую и одну из боковых полос, поскольку боковые полосы идентичны. В таких передатчиках вместо простого ЗГ используют устройство формирования однополосного сигнала. Передача его требует меньшей энергии от источника питания (потребление идет на излучение в эфир только одной полосы), но детектировать такой сигнал намного сложнее, так как накладываются жесткие требования на стабильность несущей частоты как самого передатчика, так и гетеродина приемника (мы с такими передатчиками в этой книге иметь дело не будем).

Спектр сигнала в эфире для разных видов модуляции показан на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Спектр ВЧ сигнала при модуляции:

 _{а – AM; б – ЧМ; в – однополосный SSB сигнал}

Разница между ЧМ и AM модуляциями заключается в ширине полосы занимаемой в эфире. Если при AM модуляции звуковым сигналом с верхней частотой f_B = 10 кГц, ширина спектра в эфире составит 20 кГц, то при ЧМ модуляции звуковым сигналом с той же верхней частотой спектр получается более широким – 130… 180 кГц (зависит не только от максимальной модулирующей частоты f_B, но и от девиации частоты при модуляции). Именно из-за более широкой полосы такая модуляция используется на частотах более 50 МГц. Достоинством частотной модуляции, как вы уже знаете из предыдущей главы, является низкая чувствительность к индустриальным и атмосферным помехам, так как до частотного детектора сигнал пропускают через ограничитель уровня, который обрезает амплитудные изменения в сигнале.

Следует знать, что представленный в аналоговом виде сигнал при трансляции его по радиоканалу подвергается воздействию различных помех и в этих условиях не удается передать его с точностью выше 3–5 % (особенно если надо сделать это на большое расстояние). Для многих систем, предназначенных для дистанционного управления по радио, такая точность неприемлема, поэтому в настоящее время все большее распространение находят цифровые виды представления и передачи информации. Они позволяют обеспечить точность намного выше (практически любую требуемую).

В 1933 году В. А. Котельников доказал фундаментальную для теории и техники связи теорему (впоследствии названную его именем), которая объясняет, каким образом. можно при помощи дискретных способов представления информации передать непрерывное (аналоговое) сообщение без потери информационной содержательности. Вообще-то этот «фокус» математикам был известен значительно раньше (с 1915 г.), но заслуга Котельникова заключается в том, что он показал, как можно применить на практике «чистую» науку. Это открытие оказало существенное влияние на конструирование цифровых систем связи.

Ну а пока вернемся к радиопередатчикам. Чтобы понять, как работает любой из них, сначала мы познакомимся с типовыми узлами.

Сердцем любого передатчика является генератор несущей частоты – задающий генератор. Он преобразует энергию источника питания постоянного тока в ВЧ энергию переменного тока. От параметров этого узла во многом зависит качество всего устройства. Генератор должен стабильно работать при различных температурах. Температурный диапазон может быть весьма широким: от -40 до +60 °C (представьте, что капитан корабля пользуется радиостанцией вблизи берегов Антарктиды или на экваторе). Для оценки возможных изменений частоты ЗГ используют такой параметр, как относительная нестабильность частоты (за определенный интервал времени): Δf/f₀, где Δf – максимальное отклонение частоты от номинального значения f₀.

Высокочастотные, генераторы синусоидальных колебаний могут быть выполнены по одной из типовых схем, наиболее популярные из которых мы и рассмотрим.

Высокочастотные LC-генераторы

Любой усилитель можно превратить в генератор, введя в него положительную обратную связь с выхода на вход. То есть сигнал с выхода на вход должен поступать без фазового сдвига или со сдвигом, кратным. 360 градусам. Тогда колебания будут «подстегивать» сами себя. В простейших схемах этого добиваются на нужной частоте за счет резонансных свойств индуктивно-емкостных цепей или RC-цепей. Величина сигнала обратной связи должна быть достаточной для поддержания колебаний в резонансном контуре путем компенсации имеющихся в нем потерь. Для этого Коэффициент усиления каскада (по току или напряжению) обязательно должен быть больше 1.

При построении многих схем (и не только генераторов) часто используются параллельный и последовательный колебательные контуры, рис. 12.3.

Рис. 12.3. Последовательный и параллельный контуры и их импеданс

Из приведенных графиков видно, что при резонансе последовательного контура сопротивление прохождению сигнала минимально, а в параллельном контуре – максимально.

Ну а теперь давайте рассмотрим конкретнее автогенераторы. В брелках для дистанционного управления режимом работы охранной сигнализации по радиоканалу наиболее часто используются схемы, приведенные на рис. 12.4.

Рис. 12.4. Простейшие LC-генераторы

В данном применении модулирующий сигнал – это кодовая последовательность импульсов, поступающих на базу транзистора (от микроконтроллера или другой специализированной микросхемы), рис. 12.4, а или же на питание каскада. На высоких частотах (300…450 МГц) катушку контура часто делают из проводников фольги прямо на печатной плате (она одновременно является и излучающей антенной). Работает такой передатчик тоже просто – импульсы, подаваемые на базу транзистора через резистор R1, то «включают» несущую, то «отключают» ее.

С некоторыми другими вариантами LC-генераторов мы c вами познакомимся на примере практических конструкций микромощных УКВ-передатчиков чуть позже. Такие генераторы работают на частотах до 400 МГц и применяются в простейших устройствах для передачи информации на небольшое расстояние, например для ретрансляции звукового сигнала, дистанционного управления игрушками, сигнализации и других.

Общим недостатком LC-генераторов является их невысокая стабильность частоты, обычно не лучше Δf/f₀ = 10^-3. Объясняется это тем, что на параметры элементов схемы влияют изменения температуры, а параметры транзистора зависят не только от температуры, но еще и от изменений напряжения питания (емкости переходов внутри транзистора подключены к колебательному контуру, а они меняются в зависимости от приложенного напряжения). Представьте, что при изменении температуры катушка будет менять свои размеры, а значит, и свою индуктивность. Но даже если использовать термостат для всего каскада, а также стабилизацию напряжения питания и режима работы транзистора, то все равно очень сложно получить стабильность частоты, близкую той, которую обеспечивают кварцевые резонаторы.

Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты

В настоящее время в эфире интенсивно работает множество передающих средств. Поэтому, чтобы мощные передатчики не мешали друг другу, к ним предъявляются жесткие требования по долговременной относительной нестабильности частоты. Она должна быть не хуже, чем 10^-5…10^-8. Проще всего обеспечить такие параметры, применив кварцевые резонаторы.

Кварцевые резонаторы имеют характеристики, очень похожие на характеристики электрических колебательных контуров, но с очень высокой добротностью (Q = 10⁴…10⁶) – у LC-контура добротность обычно не превышает 150…300. Еще одно отличие заключается в наличии двух видов резонансов: последовательного и параллельного, наблюдающихся у этого элемента на разных частотах, хотя и близких.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора и изменение его полного сопротивления (импеданса) от частоты показаны на рис. 12.5.

Рис. 12.5. Эквивалентная схема кварцевого резонатора (а) и изменение его импеданса от частоты (б)

В небольших пределах частоту резонанса можно менять («затягивать») путем подключения конденсатора последовательно с кварцем (или параллельно – зависит от того, какой резонанс из двух возможных используется в схеме). Этот метод обычно применяют для получения частотной модуляции или более точной настройки частоты. Следует знать также, что отечественная промышленность, как правило, выпускает кварцевые резонаторы с основной рабочей частотой до 22 МГц, а более высокочастотные кварцы работают на своих гармониках. Это связано с устаревшей технологией обработки кварцевых пластин.

Зарубежные предприятия выпускают кварцы с основной частотой до 35 МГц, а у ведущих фирм частота первой гармоники достигает 250 МГц. При выборе для генератора таких элементов особое внимание следует обращать на добротность резонатора – чем она выше, тем стабильнее частота (и тем они дороже, к сожалению).

Существует много разновидностей схем кварцевых автогенераторов, но на практике на высоких частотах наиболее распространены два вида, в которых:

а) кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи и используется как узкополосный фильтр, который эквивалентен активному сопротивлению на частоте резонанса (называют генераторами последовательного резонанса);

б) кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности (их называют осцилляторными генераторами).

Схема генератора с «кварцем» в цепи обратной связи между коллектором и базой, приведена на рис. 12.6.

Рис. 12.6. Генератор со стабилизацией частоты кварцем, включенным между базой и коллектором (а), и резонансная кривая потребляемого схемой тока, используемая при настройке (б)

Такие схемы применяют при работе резонатора на основной частоте до 30 МГц или до 90 МГц при возбуждении кварца на третьей гармонике (на соответствующую гармонику настраивается колебательный контур С3, L1). Если «кварц» работает на первой гармонике, то иногда в цепи коллектора ставят только катушку (дроссель) – это позволяет легко менять частотный канал заменой кварца удобно для аппаратуры радиоуправления – не потребуется перестройки передатчика на соседний – не занятый кем-то другим канал).

В схеме конденсаторы С1 и С4 являются блокирующими (закорачивают цепи по высокой частоте); С2 – облегчает запуск генератора и иногда может не устанавливаться. Резисторы R2, R3 задают режим работы транзистора по постоянному току, a R4 обеспечивает термостабилизацию рабочей точки каскада.

Довольно часто применяются генераторы с кварцевым резонатором включенным между базой и общим проводом, рис. 12.7. Во всех таких схемах обратная связь организуется за счет падения напряжения на резисторе в цепи эмиттера, а значение конденсатора, устанавливаемого параллельно этому резистору (от него зависит величина этой связи), можно подобрать экспериментально.

Аналогичная схема может быть выполнена и на полевых транзисторах (рис. 12.7, в). Для того чтобы на работу таких генераторов не оказывали влияния следующие каскады, их входное сопротивление должно быть больше, чем у резистора, который стоит на выходе.

Для небольшой подстройки частоты резонатора (др ±200 Гц) иногда последовательно с кварцем включают конденсатор (это повышает частоту) или индуктивность (для понижения частоты).

Приведенные схемы особенно удобны для генераторов с электронной перестройкой частоты, выполняемой при помощи варикапа – вариант такой схемы показан на рис. 12.3, г. На варикап подается постоянное обратное напряжение, от величины которого зависит его начальная емкость, а изменение емкости происходит под действием низкочастотного модулирующего сигнала. При частотной модуляции девиация частоты зависит от амплитуды модулирующего сигнала.

Рис. 12.7. Генераторы с кварцевым резонатором, включенным между базой и общим проводом (а, б), схема на полевом транзисторе (в) и генератор с электронной перестройкой частоты варикапом при ЧМ модуляции (г)

Максимальная достижимая мощность сигнала на выходе таких генераторов ограничена величиной тока высокой частоты, проходящей через «кварц». По техническим условиям рассеиваемая мощность на кварцевом резонаторе не должна превышать 1…2 мВт, а для повышения стабильности генератора ее следует уменьшить до величины 0,1…0,2 мВт. Поэтому для получения необходимой мощности в антенне после задающего генератора всегда ставят дополнительные каскады усилителей.

С другими видами кварцевых генераторов можно познакомиться в литературе, например [1].

Режимы работы ВЧ усилителей

Любой каскад усиления сигнала может работать в одном из режимов, названных буквами латинского алфавита: А, В, С или АВ (существуют еще усилители классов D и Е, но они не используются на высоких частотах, поэтому мы их рассматривать не будем). Отличие между режимами заключается в выборе рабочей точки усилительного каскада. Это поясняет рис. 12.8.

Рис. 12.8. Распространенные режимы работы ВЧ усилителей

Рабочая точка в усилителях класса А смещена таким образом, что через транзистор коллекторный ток протекает всегда. Входной сигнал усиливается без искажений, но коэффициент полезного действия (КПД) в лучшем случае может быть не более 50 %. В таком режиме обычно работают маломощные каскады передатчика.

В режиме класса В смещения рабочей точки у транзисторов нет (точнее, она является нулевой). Транзистор начнет усиливать сигнал, как только входное напряжение превысит уровень 0,6 В (с этим режимом вы уже знакомы по разделу, посвященному усилителям низкой частоты). При использовании двухтактного каскада транзисторы будут работать по очереди (каждый в течение одного полупериода входного сигнала), но в точке перехода напряжения через ноль из-за нелинейности характеристики наблюдаются небольшие искажения. КПД схемы может составить до 78 %. Такой режим работы применяется в мощных выходных каскадах.

Чтобы устранить искажения при переходе напряжения через нуль, иногда используют режим класса АВ – когда на базу подается небольшое приоткрывающее транзистор напряжение (появляется ток покоя). Это выравнивает выходную характеристику, но снижает КПД каскада. Схема для этого режима может быть такой же, как и для каскада в режиме класса А, только соотношение резисторов R1—R2 будет другим.

В высокочастотных усилителях довольно часто применяют режим класса С. Рабочая точка у такого усилителя смещается за пределы области отсечки, и транзистор открывается только при максимальных значениях входного сигнала. Несмотря на то, что сигнал на выходе усилителя сильно искажен и содержит много гармоник, синусоидальная форма восстанавливается благодаря резонансной нагрузке. Ну а так как пока транзистор закрыт – тока в цепи коллектора нет, КПД такой схемы теоретически может достигать почти 90 %.

Режим класса С удобен еще и тем, что его можно использовать для умножения входного сигнала в 2 или 3 раза. Причем в результате исследований была установлена зависимость уровней гармоник сигнала от угла отсечки Θ выходного тока. Оказалось, что максимальный уровень первой гармоники получается при угле отсечки 120°, второй – 60° третьей – 40° (это используется разработчиками при расчете схемы). Так как амплитуда гармоники с увеличением ее номера значительно уменьшается, умножение более чем в 3 раза в одном каскаде не используется.

Конечно, при работе усилителя никто не измеряет угол отсечки, но, настраивая контур в цепи коллектора на нужную гармонику и меняя угол отсечки (при помощи напряжения задающего рабочую точку), можно получить максимальный уровень сигнала.

Общим требованием к каскадам, работающим в усилителе мощности, является их согласование между собой по импедансу.

Следует также знать, что для увеличения дальности приема в два раза необходимо мощность передатчика увеличить в 4 раза. Того же эффекта можно добиться увеличением чувствительности приемника в 2 раза, то есть энергетически выгоднее увеличивать чувствительность приемника. Но здесь есть ограничение, которое связано с шумами эфира и собственными шумами схемы приемника. Поэтому полезный сигнал в точке приема должен в любых условиях превышать уровень шума в несколько раз.