Лабораторные работы №1, №2, №3

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА
Устройства приема и обработки сигналов
Лабораторная работа №1
Казань 2007
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА
Телевидения и мультимедийных систем
Устройства приема и обработки сигналов
Расчет и исследование амплитудного детектора
Лабораторная работа №1
для магистров очной формы обучения
Казань 2007
Цели:
Изучения принципов работы амплитудных детекторов.
Научиться рассчитывать простейший АМ детектор.
Теоретическая часть
Детектирование модулированного радиосигнала заключается в выделении
низкочастотного
сигнала,
который
в
неявной
форме
содержится
в
высокочастотном колебании. Различают амплитудное, частотное, и фазовое
детектирование.
Детектирование
сопровождается
трансформацией
(преобразованием) частотного спектра: на входе высокочастотное колебание,
на выходе - низкочастотное, соответствующее передаваемому сообщению.
Следовательно, детектирование требует применения нелинейного элемента, в
токе которого возникает низкочастотный сигнал, и фильтра низких частот,
выделяющего его.
Амплитудный детектор (АД) предназначен для получения на выходе
сигнала, пропорционального огибающей. Пусть на входе детектора действует
сигнал
.
На выходе АД сигнал должен иметь вид
,
где КД - коэффициент передачи детектора в полосе частот огибающей.
Чтобы коэффициент передачи детектора не зависел от времени, т.е.
осуществлялось бы линейное преобразование огибающей, угол отсечки
желательно выбрать вблизи 90° . Тогда огибающая импульсов тока будет равна
.
Мгновенное значение импульсов выходного тока при можно представить
в виде
Если полоса частот фильтра ограничена частотой
, где
-
максимальная частота модулирующей функции АМ-колебания, то на выходе
детектора напряжение будет равно
,
где
- сопротивление ФНЧ в полосе пропускания. Коэффициент
передачи детектора в этом случае равен:
.
Принципиальная схема простейшего АД на транзисторе приведена на
рис.1.
Рис.1.
Фильтр низких частот образуют элементы Rk, Ck , причем в полосе
пропускания фильтра Zф=Rк . На рис.2 показаны спектры входного сигнала,
выходного (коллекторного) тока и выходного напряжения, а также АЧХ ФНЧ.
Рис.2.
Для обеспечения правильного режима работы АД строят (или снимают
экспериментально) так называемую статическую детекторную характеристику
(СДХ) - зависимость постоянного напряжения на выходе детектора от
амплитуды
высокочастотного
сигнала
на
входе.
Для
схемы
АД,
представленной на рис.17, эта характеристика будет иметь вид, показанный на
рис.3. Здесь выходное постоянное (выпрямленное) напряжение определяется
как
Рис.3.
При ,
,
следовательно
(до точки насыщения
на выходе
)
и
. При увеличении
также увеличивается, а напряжение
пропорционально уменьшается. В точке,
соответствующей насыщению,
Дальнейший рост
тока, следовательно,
, т.е. , .
не приводит к увеличению амплитуды импульсов
. Линейный участок определяет режим работы
детектора. Реальная СДХ (рис.4) имеет более плавный вид, линейный участок
которого ограничен величинами и .
Рис.4.
Из графика СДХ могут быть определены:
коэффициент передачи детектора
;
уровень несущей
;
максимальное значение глубины АМ на входе
Для идеализированной СДХ
Для
т.е.
,
, (т.к.
),
.
.
Для детекторов, построенных на неинвертирующих схемах, СДХ имеет
вид рис.5.
Рис.5.
Идеализацией рассмотрения данного принципа детектирования является
независимость рабочей точки (смещения) транзистора от амплитуды входного
сигнала. В реальных схемах входной р-п переход проявляет детектирующее
свойство (см. следующий раздел), несколько смещая влево рабочую точку.
Поэтому снятие СДХ является обязательным условием правильного выбора
режима работы детектора
Расчет детектора АМС
Исходными данными для расчета детектора АМС являются нижняя Fн и
верхняя Fв частоты модулирующего сигнала; максимальный коэффициент
модуляции
mmax
сигнала.
Из
расчета
структурной
схемы
приемника
используются: амплитуда входного напряжения низкочастотного тракта при
нормальном (т = 0,3) Umвх.нч, и максимальном коэффициентах модуляции
Uтвхном; входное сопротивление первого каскада низкочастотного тракта RBX,нч;
минимально допустимое входное сопротивление детектора Rвх.д.
В результате расчета следует выбрать схему и тип нелинейного элемента
детектора, определить амплитуду входного напряжения детектора, которое
является выходным напряжением тракта промежуточной частоты Um вых. пр.
Благодаря малым нелинейным искажениям, простоте схемы и отсутствию
потребления мощности от источника питания в современных приемниках
используются, как правило, диодные (полупроводниковые) детекторы.
Для
уменьшения,
шунтирования
выходного
контура
тракта
промежуточной частоты, что повышает селективность и усиление его
последнего каскада, желательно иметь большое входное сопротивление
детектора. С этой точки зрения более выгодна схема последовательного
диодного детектора, которая имеет наибольшее распространение в современных
радиоприемниках. Входное сопротивление диодного детектора в основном
определяется
сопротивлением
его
нагрузочного
резистора
R
и
пропорционально ему. При R > (20 - 30) Ri, эта пропорциональность становится
прямой. Однако малое входное сопротивление транзисторного первого каскада
низкочастотного тракта не позволяет брать нагрузочный резистор детектора с
большим сопротивлением [5]. Кривая 1 на рис. 1 позволяет определить входное
сопротивление
последовательного
диодного
детектора
при
любом
сопротивлении нагрузки. Коэффициент передачи диодного детектора также
определяется отношением R/Ri и может находиться по кривой 2 (рис. 1).
Рис.1
Для отсутствия в диодном детекторе нелинейных искажений за счет
неодинаковости его нагрузки постоянному и переменному токам сопротивление
нагрузки детектора должно быть много меньше входного сопротивления
следующего каскада. Но при малом сопротивлении нагрузки входное
сопротивление и коэффициент передачи детектора становятся малыми. Поэтому
в транзисторных приемниках с целью некоторого повышения нагрузочного
сопротивления детектора между выходом детектора и входом первого каскада
низкочастотного тракта включают добавочный резистор Rдоб. С этой же целью
нагрузку детектора
выполняют
из
двух
последовательно
включенных
резисторов R1 и R2, как показано на рис. 2.
Диод для детектора выбирают так, чтобы его максимальная рабочая
частота была в несколько раз больше последней промежуточной частоты
приемника, крутизна прямого прохождения тока возможно большей (при этом
внутреннее
сопротивление
диода
Ri=1/S
окажется
меньше),
обратное
напряжение — более утроенной амплитуды максимального входного сигнала, а
междуэлектродная емкость — возможно меньшая.
Согласно схеме на рис. 2 нагрузка диода
R = R1 + R2.
(1)
По заданному минимальному входному сопротивлению детектора и
внутреннему сопротивлению диода по кривой 1 на рис. 1 находят наибольшую
возможную нагрузку и подбирают сопротивления резисторов R1 и R2 с учетом
уравнений
(2)
Рис. 2
Сопротивление добавочного резистора определяется неравенством
(3)
Коэффициент передачи детектора для схемы на рис. 2 вычисляют по
формуле
(4)
Здесь Кд — коэффициент передачи детектора с нагрузкой R1 + R2
определяющийся кривой 2 на рис. 1.
Поскольку увеличение сопротивления добавочного резистора снижает
коэффициент передачи детектора, при его определении по неравенству (3)
следует брать наименьшее возможное значение по стандартной шкале
сопротивлений резисторов.
Амплитуда несущей входного сигнала детектора, т. е. выходного
напряжения промежуточной частоты, определяется равенством
(5)
Здесь m= 0,3 — среднее значение коэффициента модуляции сигнала.
Исходные данные и задачи расчета детекторов АМС описаны выше. В
современных приемниках применяются, как правило, диодные детекторы. В
данном разделе остановимся на выборе тех элементов схемы, которые не были
рассчитаны ранее.
Чтобы коэффициент передачи детектора соответствовал графику на рис.
1, емкость конденсатора С1 на рис. 2 должна удовлетворять неравенствам
(5)
Здесь Сд = Сак—емкость диода. Для того чтобы детектор был
безынерционен, должно выполняться неравенство
(6)
Нелинейные искажения за счет инерционности нагрузки детектора будут
отсутствовать, если
(7)
Допустимый уровень амплитудно-частотных искажений на верхней
модулирующей частоте не превысит заданного значения при
(8)
Здесь
Riд—
внутреннее
сопротивление
детектора
для
токов
модулирующей частоты, оно находится по кривой 3 (рис. 1). Емкость
конденсатора С2 определяется неравенством
(9)
Допустимый уровень амплитудно-частотных искажений на нижней
модулирующей частоте будет при выполнении неравенства.
(10)
Коэффициент фильтрации детектора по схеме на рис. 2 определяется
формулой
(11)
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Рассчитать параметры элементов схемы детектора R1, R2, Kд и Umпр
представленного на рис.2. чтобы его входное сопротивление было равно 4 кОм,
если амплитуда входного сигнала первого каскада низкочастотного тракта
равна 0,005 В при т — 0,3; входное сопротивление первого каскада
низкочастотного тракта составляет 700 Ом, максимальный коэффициент
модуляции 0,8, промежуточная частота приемника 465 кГц. Детектор
предназначен для переносного приемника I класса. Допустимый коэффициент
фильтрации kф = 10-3. Коэффициент передачи собственно детектора найти по
кривой 2 рис. 1.
2. Рассчитаем необходимую значения С1, Ср и kф согласно выражениям 511 используя ранее вычисленные значения.
3. Собрать схему согласно рассчитанным характеристикам.
4. Получить график продетектированного сигнала частоты 1 кГц.
5. Зарисовать полученный график.
Контрольные вопросы.
1. Какие исходные данные для расчета АМ детектора вы знаете?
2. Какое
сопротивление
определяет
восновном
величину
входного
сопротивления АМ детектора?
3. Что такое амплитудный детектор и как он работает?
4. Как выглядит временной график АМ колебания?
5. Как выглядит спектральный график АМ колебания?
6. В каком случае отсутствуют нелинейные искажения в полученном посчле
детектирования сигнале?
7. В каком случае уровень амплитудно-частотных искажений на нижней
модулирующей частоте будет в пределах допустимой величины?
8. Объясните принцип работы схемы на представленной рис.2.
9. Для чего необходима статическая детекторная характеристика.
10. Напишите выражение выходного сигнала АД
УДК 621.397
Составители: Н.В.Дорогов
Устройства приема и обработки сигналов: Методические указания
______________________по курсу «___1_____-» для магистров очной формы
обучения/ Сост._______________
Предназначено для изучения магистрами направления 210400
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА
Устройства приема и обработки сигналов
Лабораторная работа №2
Казань 2011
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА
Телевидения и мультимедийных систем
Устройства приема и обработки сигналов
Исследование автоматической регулировки усиления
Лабораторная работа №2
для магистров очной формы обучения
Казань 2011
Цели:
Экспериментальное
исследование
процесса
автоматического
регулирования усиления в радиоприемном устройстве.
Теоретическая часть
Автоматическая регулировка усиления (АРУ) система, автоматически
изменяющая усиление приёмника электрических колебаний при изменении
напряжения сигнала на его входе. В радиовещательных приёмниках АРУ
иногда называют устарелым термином автоматическая регулировка громкости
(АРГ), в приёмниках проводной связи — автоматической регулировкой уровня.
В радиолокационных и других импульсных приёмниках применяют АРУ,
учитывающие особенности работы в импульсном режиме.
В большинстве случаев напряжение сигналов, поступающих на вход
приёмника, значительно меняется: из-за различия мощностей передатчиков и
расстояний их от места приёма, замираний сигналов при распространении,
резкого изменения расстояний и условий приёма между передатчиком и
приёмником,
установленными
на
движущихся
объектах
(самолётах,
автомобилях и т.д.), и других причин. Эти изменения приводят к
недопустимым колебаниям или искажениям сигналов в приёмнике. Действие
АРУ направлено на значительное уменьшение изменений напряжения
выходных сигналов приёмника по сравнению с входными. Это осуществляется
посредством
цепей,
которые
передают
выпрямленное
детектором
регулирующее напряжение на базы транзисторов или на управляющие сетки
электронных ламп переменной крутизны, усилителей высокой, промежуточной
частоты и преобразователя частоты, уменьшая их усиление с увеличением
напряжения сигнала на входе и наоборот (рис. 1). Таким образом происходит
компенсация в приёмнике изменений напряжения входных сигналов.
В устройствах радиосвязи распространены три типа АРУ: простая,
задержанная и усиленно-задержанная. Наглядно действие АРУ можно
отобразить на амплитудной характеристике приёмника (рис. 2). При
отсутствии АРУ амплитудная характеристика выражается прямой линией (А —
на рис. 2): напряжение сигнала на выходе прямо пропорционально входному. В
результате действия простой АРУ (В — на рис. 2) происходит только
частичная компенсация изменения напряжения входных сигналов. Недостаток
простой АРУ — снижение усиления слабых сигналов — устраняется
«задержкой» начала действия АРУ. Задержанная АРУ (Б — на рис. 2)
действует так же, как и простая, когда напряжение сигнала на входе превысит
некоторый
уровень,
определяемый
напряжением
задержки.
Усиленно-
задержанную АРУ с усилителем постоянного тока в цепи обратной связи
применяют для получения большего постоянства напряжения сигнала на
выходе приёмника (Г — на рис. 2). Наибольшее применение в приёмниках
нашла задержанная АРУ.
Рис. 1. Обобщённая блок-схема супергетеродинного радиоприёмника с
различными типами автоматической регулировки усиления: в 1-м положении
переключателя Пр — простая; во 2-м — задержанная; в 3-м — усиленнозадержанная.
Рис. 2. Амплитудные характеристики радиоприёмников с различными
типами автоматической регулировки усиления. Пунктиром показан уровень
напряжения сигнала на выходе, при котором появляются искажения принятых
сигналов.
Виды АРУ приемных устройств
В зависимости
от
степени
вмешетельства
регулировки усиления приемника различают:
Ручная регулировка усиления (РРУ)
Автоматическая регулировка усиления (АРУ)
оператора
в процесс
Так как речь идет о приемниках, рассмотрим только АРУ.
В свою очередь АРУ подразделяют на инерционное (ИАРУ), когда время
срабатывания tср схемы регулировки значительно превышает длительность
полезного сигнала (tср>>tU), быстрое (БАРУ) с временем срабатывания
tUtср(23)tU и программное реализирование задания РУ приемника во времени
(ВАРУ) или по уровню выходного сигнала (функциональной регулировкиФАРУ). При ФРУ реализуют функционально-амплитудные характеристики.
Если схемы ИАРУ и ФАРУ срабатывают от воздействия собственных
шумов приемника, то такие схемы называют схемой шумовой АРУ (ШАРУ).
Схемы
регулирования
должны
обеспечить
следующую
глубину
регулирования усиления приемника.
где Dпом и DU – динамические диапазоны помехи и индикатора.
При этом к схеме регулирования предъявляются следующие требования:
Минимальное влияние на чувствительность приемника
Минимально вносимые частотные и фазовые искажения в процессе
регулирования усиления
Минимально вносимые нелинейные искажения
Минимальная регулируемая мощность
Схемы АРУ обеспечивают отсутствие перегрузки приемника при
воздействии
различных
пассивных
и
активных
помех
и
согласуют
динамический диапазон приемника по выходу с динамического диапазона
индикатора. Для защиты от перегрузки длительными импульсными и
незатухающими помехами в блоке УПЧ применяется БАРУ. Для защиты от
шумовой помехи и для поддержания постоянства уровня шумов на выходе
приемника
применяются
различные
схемы
ШАРУ,
регулирующие
коэффициент усиления УПЧ.
Включение схем АРУ (ВАРУ, БАРУ, ШАРУ) осуществляет программное
устройство, состав которого входит электронно вычислительная машина
(ЭВМ). В простейшем случае программное устройство может отсутствовать. В
этом случае включение схем АРУ осуществляется напряжением поступающим
с выхода УПЧ.
Для защиты приемника РЛС от перегрузки отражениями от местных
предметов в блоке УПЧ часто применяют схемы временной регулировки
усиления (ВАРУ), которое запускается зондирующим импульсом.
Работа АРУ с обратной связью
Системы АРУ можно разделить на два больших класса:
Следящие
Неследящие
В следящих АРУ напряжение регулирования и коэффициент усиления
зависят от напряжения на выходе или входе приемника.
В неследящих АРУ напряжение регулирования вырабатывается по
определенной временной программе (ВАРУ).
Следящие АРУ делят на АРУ с обратной связью (АРУ – “назад”) (рис.3.)
и АРУ без обратной связи (АРУ – “вперед”).
Рис.3. Структурная схема АРУ с обратной связью
В АРУ с обратной связью выходное напряжения Uвых после детектора Д
(Uд) усиливается усилителем постоянного тока УПТ с коэффициентом
усиления Купт и через фильтр низких частот ФНЧ, обеспечивающий
инертность АРУ, регулирующее напряжение Uр таким образом изменяет
коэффициент
передачи
регулируемых каскадов
регулируемого
усилителя
РУ,
содержащего
n
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.Собрать схему представленную на рис.4.
2. Проверить работоспособность схемы для уровней входного сигнала
указанного на схеме без подачи сигнала АРУ.
3. Подать сигнал АРУ с генератора. Определить уровень выходного
сигнала при минимальном и максимальном уровне входного сигнала.
Определить динамический диапазон АРУ по формуле
D
U
U
MAX
вх
MIN
вх
4. Определить АЧХ усилителя с включенным АРУ и без АРУ.
5. Зарисовать полученные графики.
Рис. 4
Контрольные вопросы.
11. Какие виды АРУ вы знаете?
12. Где применяется временное АРУ?
13. Что дает применение АРУ в приемном устройстве?
14. Что такое безинерционное АРУ?
15. Что такое следящее АРУ?
16. Что такое не следящее АРУ?
17. Как определяется динамический диапазон регулировки АРУ?
18. Нарисуйте структурную схему следящего АРУ.
19. Нарисуйте
амплитудные
характеристики
радиоприёмников
различными типами автоматической регулировки усиления .
с
УДК 621.397
Составители: Н.В.Дорогов
Устройства приема и обработки сигналов: Методические указания
______________________по курсу «___1_____-» для магистров очной формы обучения/
Сост._______________
Предназначено для изучения магистрами направления 210400
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА
Устройства приема и обработки сигналов
Лабораторная работа №3
Казань 2011
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА
Телевидения и мультимедийных систем
Устройства приема и обработки сигналов
Исследование балансного кольцевого смесителя
Лабораторная работа №3
для магистров очной формы обучения
Казань 2011
Цели:
Экспериментальное исследование балансного кольцевого смесителя.
Теоретическая часть
В любых беспроводных системах связи необходимо выполнять преобразование сигналов с повышением или
понижением частоты, чтобы обеспечить их передачу и обработку. Преобразование частоты, известное как
смешивание сигналов, является основой работы любого приемного оборудования. Поэтому смесители
являются основными блоками для построения радиочастотных (РЧ) систем.
В любой радиосхеме смесители обеспечивают преобразование частоты и обеспечивают возможность приема
сигнала. Они определяют базовые характеристики сигнальной цепи коммуникационной системы.
Основы работы смесителя
Смесители — это устройства преобразования частоты, которые, имея на входе два сигнала, формируют на
выходе сигнал с частотой, строго зависящей (обычно равной сумме или разности) от частот входных
сигналов.
В простейшем виде смеситель представляет собой умножитель. В то время как смесители аудиосигналов
лишь складывают сигналы, радиочастотные смесители фактически перемножают входные сигналы и
формируют новую частоту выходных сигналов.
Обычно в приемнике используется преобразование с понижением частоты, чтобы обеспечить возможность
обработки высокочастотных РЧ-сигналов. Все порты смесителя способны работать как в нагрузочном
режиме, так и в режиме отдачи тока.
В данном примере используется преобразование с понижением частоты. Входами являются радиочастота
(RF) и частота гетеродина (LO). На выходе формируется промежуточная частота (IF). Выходной сигнал
содержит как суммарные, так и разностные компоненты входных сигналов (см. рис. 1).
Рис.1 Схематическое изображение смесителя
На схематическом изображении смесителя видно, что у него есть два входа: РЧ-сигнал от антенны или
малошумящего усилителя (RF) и сигнал гетеродина (LO). Смеситель перемножает оба сигнала, формируя
суммарную и разностную частоты.
Математически выходной сигнал можно описать с помощью уравнений (1)—(3):
RF = A1sin(ω1t + φ1);
(1)
LO = A2sin(ω2t + φ2);
(2)
IF = A1A2sin(ω1t + φ1) sin(ω2t + φ2). (3)
Используя тригонометрические уравнения, можно преобразовать уравнение (3) к виду, содержащему сумму
и разность частот:
IF = (A1A2/2) {cos/[(ω1 + ω2)t + (φ1 + φ2)] + cos/[(ω1 – ω2)t – (φ1 – φ2)]}.
(4)
В зависимости от необходимой промежуточной частоты (ПЧ), могут потребоваться несколько каскадов
преобразования с понижением частоты и фильтрации для того, чтобы обеспечить то качество сигнала,
которое нужно для его последующей обработки.+
Рис. 2. Частотный спектр на выходе смесителя, на котором показаны различные составляющие выходного
сигнала, в том числе суммарный и разностный сигналы, а также нежелательные составляющие зеркального
канала и гармоник 2-го и 3-го порядка
К устройствам преобразования частоты (в нашем случае к смесителям) относятся любые схемы, в которых
частота сигнала на выходе не равна его входной частоте. Выполняются подобные устройства на базе
нелинейных элементов. Одним из этих элементов выступают полупроводниковые диоды различных типов.
Использование диодов особенно популярно в малосигнальных цепях, где предъявляются высокие
требования к шумовым параметрам и параметрам чувствительности преобразователей. К диодным
преобразователям частоты в первую очередь относятся смесители, также разнообразные умножители и
делители частот, некоторые виды автодинных преобразователей.
Работа смесителя основана на взаимной модуляции двух колебаний на нелинейном (преобразующем)
элементе. Т.е. в токе нелинейного элемента будут присутствовать колебания т.н. комбинационных частот
(рис. 1). Одно из колебаний комбинационной частоты является частотой которая используется в дальнейшем
и может быть выделено на селективной нагрузке смесителя. Все остальные присутствующие в выходном
сигнале составляющие являются паразитными.
Паразитные составляющие сигналов
В процессе работы смесителя генерируются выходные компоненты сигналов, представляющие собой сумму
и разность входных сигналов, а также огромное число дополнительных нежелательных паразитных
сигналов (см. рис. 2). В число таких сигналов входят основные частоты на входе и выходе смесителя, их
гармоники (nRF, mLO или kIF) и интермодуляционные составляющие nRF±mLO (преобразование с
понижением частоты) и nLO ± mIF (преобразование с повышением частоты).
Мы определяем такие паразитные составляющие как нежелательные составляющие сигналов при
смешивании. Эти паразитные сигналы обусловлены преобразованием частоты на гармониках входного
сигнала и гетеродина. Уровни таких паразитных сигналов зависят от ряда факторов, а именно от уровней
входного сигнала, импеданса нагрузки, температуры и частоты.
Гармонические составляющие сигнала (nRF, mLO, kIF) экспоненциально возрастают с ростом мощности
выходного сигнала. Математически эти нежелательные составляющие сигнала могут быть выражены в виде
следующих уравнений:
основная гармоника: VOut = Acos(ωt);
(10)
вторая гармоника: A2cos(2ωt);
(11)
третья гармоника: A3cos(3ωt).
(12)
Смесители на полупроводниковых диодах
В качестве нелинейного элемента смесителя могут выступать: полупроводниковые диоды, полевые и
биполярные транзисторы в некоторых схемах включения, комбинированные схемы.
Смесители на полупроводниковых диодах характеризуются невысоким уровнем шумов, высокой
надежностью, невысоким входным сопротивлением для напряжения гетеродина, низким коэффициентом
передачи напряжения (0,3...0,5) и мощности (0,1...0,3), могут работать на более высоких частотах, чем
смесители на транзисторах. В диодных смесителях желательно использовать высокочастотные кремниевые
диоды, обладающие большим отношением обратного и прямого сопротивлений и малой емкостью перехода
(например, КД503), а еще лучше диоды с барьером Шоттки, характеризующиеся малым уровнем шумов
(например, типа КД419), могут также применяться и обращенные диоды. Для смесителей, в которых
должны использоваться несколько диодов с максимально близкими параметрами, выпускаются специально
подобранные пары и четверки диодов, а также диодные сборки.
Простейшая схема смесителя на одном диоде приведена на рис. 3.
Рис. 3 Смеситель на одном диоде
Нелинейные свойства полупроводникового диода не могут быть выражены простой квадратичной
зависимостью, как это было показано выше. В общем случае, аппроксимируя ВАХ диода рядом Тейлора,
получим следующую зависимость:
Учитывая, что к диоду прикладывается сумма напряжений сигнала и гетеродина
, после подстановки получим следующее выражение для тока
диода:
Видно, что в нагрузке смесителя будут присутствовать составляющие с частотой входного сигнала и
сигнала гетеродина, а также многочисленные гармоники и сигналы комбинационных частот (к ним
относятся все сигналы с частотами: mωс ±nωг,
где m и n=0, 1, 2, 3, ...). Среди них особенно вредны составляющие с частотами сигнала и гетеродина и их
гармоники.
Диодные смесители выполняют обычно по балансной (рис. 4.) или кольцевой балансной (двойной
балансной) схеме (рис. 5). Обе они позволяют ослабить влияние шумов гетеродина и подавить колебания
гетеродина на выходе (на 30...40 дБ и более). Степень подавления зависит от качества изготовления
трансформаторов в частности симметрии их обмоток, равенства сопротивлений плеч и паразитных емкостей
по отношению к точкам симметрии и идентичности диодов.
Рис.4
а
б
Рис. 5
Балансный смеситель (рис. 4а) содержит два диода, которые включены так, что их токи протекают в
первичной обмотке выходного трансформатора во встречных направлениях. При этом синфазные
составляющие магнитного потока взаимно компенсируются, а противофазные — складываются.
Напряжение гетеродина подается на диоды синфазно, а напряжение сигнала — противофазно. Т.е., к
первому смесительному диоду прикладывается сумма напряжений сигнала и гетеродина
, а ко второму — их разность
первичной обмотке выходного трансформатора:
. Результирующий ток в
Из данной формулы видно, что составляющие токов с частотой гетеродина взаимно компенсируются и
шумы гетеродина не попадают на выход смесителя. Проведя аналогичные вычисления для токов во входном
трансформаторе можно увидеть, что балансный смеситель позволяет значительно снизить и мощность
гетеродина, просачивающуюся в предшествующий ему каскад (например, в антенну приемника).
Схема смесителя на рис. 4(б) принципиально не отличается от схемы на рис. 4 (а). Разница состоит лишь в
том, что напряжение гетеродина подается на диоды в противофазе, а напряжение сигнала в фазе. Однако изза встречного включения диодов в этой схеме сохраняются те же фазовые соотношения и те же свойства,
что и в балансном смесителе по схеме рис. 4(а). Выходной согласующий трансформатор Тр2 может быть
заменен на обычный ВЧ дроссель (включается между выходом и землей) с реактивным сопротивлением на
промежуточной частоте, равным требуемому выходному сопротивлению смесителя, а в простейших
низкокачественных схемах и на обычный резистор. Дополнительной особенностью данной схемы является
равнозначность (функциональная идентичность) входа сигнала Uс и выхода U ПЧ, которые могут свободно
меняться местами, при этом режим работы смесителя остается неизменным.
Двойной (или кольцевой) балансный смеситель (рис. 5) обладает дополнительным преимуществом —
высокой избирательностью по каналу прямого прохождения. В этом легко убедиться, найдя
результирующий ток первичной обмотки выходного трансформатора, аналогично тому, как это делалось для
обычного балансного смесителя:
В данной схеме, в отличие от балансного смесителя, отсутствует составляющая с частотой сигнала. Таким
образом, благодаря симметрии используемых в схеме трансформаторов и диодов обеспечивается
внутренняя взаимная развязка входов сигнала, гетеродина и выхода смесителя.
Кроме схемы построения, смесители принято классифицировать по уровню мощности сигнала гетеродина,
подводимого к смесителю. Принята следующая классификация:
Таблица1
Качественный уровень смесителя
Мощность
гетеродина
Очень низкий
≤1мВт
Низкий
5мВт
Средний
20мВт
Высокий
50мВт
Очень высокий
≥100мВт
С увеличением мощности гетеродина изменяется режим работы диодов смесителя. Для смесителей очень
низкого и низкого уровня (часто называются “смесителями стандартного уровня мощности”) характерен т.н.
квадратичный режим, а для смесителей среднего, высокого и очень высокого уровня — переключательный
режим. Работа в квадратичном режиме характеризуется меньшим уровнем побочных продуктов
преобразования на выходе и сравнительно малым коэффициентом передачи смесителя, работа в
переключательном режиме — более низким уровнем шумов и более широким спектром побочных
продуктов.
Квадратичный режим применяется в смесителях бытовых радиоприемников, простейших измерительных
приборов и т.п. Оптимальное напряжение гетеродина для работы в квадратичном режиме равно 0,1...0,3 В
(для кольцевого смесителя без входного трансформатора несколько больше). В этом режиме линейное
преобразование сохраняется до амплитуд сигнала, равных 0,1 амплитуды напряжения гетеродина. На рис. 6,
7 и 8 представлено несколько схем простых диодных смесителей для бытовых радиоприемников.
Рис.6
Рис.7
В высококачественной аппаратуре и широкополосных трактах применяются только смесители среднего,
высокого и очень высокого уровней. Эти смесители имеют схемы аналогичные уже рассмотренным. Вместо
резонансных контуров на входах и выходах в них обычно применяются широкополосные трансформаторы
на ферритовых кольцах. Для оптимизации параметров смесителя и получения максимального коэффициента
передачи предпринимаются специальные меры по согласованию входов смесителя с выходами каскада
предварительного усиления и гетеродина, а также на выходе смесителя. Практически стандартным стало
использование в таких смесителях диодов с барьером Шоттки, которые обеспечивают увеличенный
динамический диапазон смесителя и имеют низкий уровень собственных шумов.
Рис. 8
На рис. 9 приведены балансная и кольцевая балансная схемы смесителей для сигналов среднего уровня
мощности и их сравнительные характеристики. Представленные смесители работают на частотах 30...300
Мгц, при применении соответствующих диодов и некотором изменении намоточных данных
трансформаторов они могут использоваться и на других частотах.
Рис. 9
Смесители высокого уровня мощности отличаются от описанного выше кольцевого балансного смесителя
среднего уровня только тем, что каждое плечо смесительного кольца образовано не одним, а двумя
последовательно включенными диодами Шоттки, что показано на рис. 10.
Рис. 10
В смесителях очень высокого уровня мощности каждый диод в кольце включается последовательно с цепью
из параллельно соединенных резистора и конденсатора (рис. 11). Емкость конденсатора выбирается из
такого расчета, чтобы его реактивное сопротивление на самой низкой частоте рабочего диапазона было ≤ 50
Ом. На рис. 12 изображена еще одна схема смесителя для сигналов сверхвысокого уровня мощности. Она
обладает расширенным динамическим диапазоном. Высокая эффективность достигается за счет
параллельного включения двух смесительных колец и использования модифицированного
симметрирующего трансформатора. Номинал конденсаторов в этой схеме выбирают таким образом, чтобы
их реактивное сопротивление на минимальной рабочей частоте равнялось 25 Ом.
Рис. 11
Рис. 12
При конструировании широкополосных диодных смесителей необходимо придерживаться следующего ряда
правил:
 сигнал ПЧ должен сниматься с того же трансформатора, на который подается принимаемый
сигнал, сигнал гетеродина подается на другой трансформатор смесителя (это важно для
предотвращения проникновения сигнала гетеродина в тракт ПЧ);
 следует обеспечить по возможности наиболее полное электрическое согласование (фазовый и
амплитудный баланс) используемых диодов и трансформаторов, для этого необходимы:
подбор экземпляров диодов с одинаковыми параметрами (существуют специальные диоды
подобранные в пары и четверки в процессе производства), а также идентичность
конструктивного исполнения обмоток трансформаторов;
 особое внимание следует уделить согласованию импеданса на выходе ПЧ, к которому
подключается специальный фильтр-диплексер, используемый в качестве нагрузки смесителя
и обеспечивающий отфильтровывание ненужной зеркальной компоненты;
 сигнал гетеродина должен подаваться на смеситель после усиления в линейном
широкополосном усилителе мощности;
 при монтаже трансформаторы и элементы квадрантов нужно располагать строго
симметрично и соединять одинаковыми проводниками минимальной длины.
Все описанные выше смесители предназначены для получения сигналов ПЧ с частотой равной сумме или
разности частоты исходного ВЧ сигнала и сигнала гетеродина. Как было показано выше, на выходе
смесителя присутствуют составляющие и с другими комбинационными частотами, однако их амплитуды
слишком малы, что делает совершенно не эффективным преобразование на такие частоты. Данное
ограничение, как правило, не мешает строить и качественные схемы любой сложности и вполне
компенсируется высокими характеристиками описанных выше балансных и кольцевых балансных
смесителей.
Тем не менее, существует достаточно узкая группа устройств, где возможность преобразования по другому
закону может оказаться полезной. Примером могут служить широко распространенные в любительской
связной технике приемники прямого преобразования. Простота и дешевизна конструкции, высокие
чувствительность и избирательность делают их очень удобными для использования в данной сфере. В таких
приемниках качественный смеситель является важнейшим узлом схемы и его характеристики определяют
все основные характеристики приемника в целом. Конечно, применение кольцевого балансного смесителя
(например, по схеме рис. 11) наверняка позволяет достичь весьма высоких показателей, однако его точная
балансировка в широком диапазоне частот довольно затруднительна из-за влияния многих, часто не
поддающихся учету факторов (качества ВЧ трансформаторов и экранировки, собственных емкостей
компонентов и т.п.). Плохо настроенный смеситель значительно ухудшает параметры приемника — в
антенну просачивается сигнал гетеродина, а сигналы мощных станций подвергаются прямому
детектированию в смесителе. Решение данной проблемы состоит в применении специального вида
смесителей, в которых производится преобразование не на суммарную или разностную частоту, а на одну из
комбинационных частот более высокого порядка.
Для построения подобных смесителей необходимо использовать нелинейные элементы с вольт-амперной
характеристикой, отличной от характеристики обычных смесительных диодов (как было показано выше, эта
характеристика близка к квадратичной). Оказалось, что такому условию в полной мере соответствует пара
однотипных кремниевых диодов, включенных встречно-параллельно (рис. 13). Вольт-амперная
характеристика этой пары может быть приближенно описана уравнением кубической параболы:
Рис. 13
Если провести математический анализ работы рассматриваемого нелинейного элемента (такой же, какой
был сделан в начале данного раздела для одиночного диода) при подаче на него двух сигналов с частотами
ωг и ωс, то окажется, что в результирующем токе будут преобладать составляющие с комбинационными
частотами равными 2ωг ±ωс .
Таким образом, смеситель, построенный на встречно-параллельной диодной паре, при применении в
приемнике прямого преобразования будет требовать частоту сигнала гетеродина в два раза меньшую, чем
частота входного сигнала. При этом сигнал гетеродина, просачивающийся во входные цепи, будет
значительно ослабляться входным контуром (контур настроен на частоту сигнала, а не на частоту
гетеродина). Ввиду симметричности характеристики нелинейного элемента эффект прямого детектирования
мощных сигналов также полностью устраняется (при условии идентичности применяемых диодов).
Примеры двух схем простейших смесителей, построенных по рассмотренному принципу, приведены на рис.
14, 15. Наладка таких смесителей предельно проста и сводится к подбору близких по характеристикам
диодов и согласованию входного и выходного импедансов. При необходимости достижения лучших
параметров (для представленных схем характерны некоторая потеря мощности в цепи связи с гетеродином и
наличие довольно большого числа комбинационных составляющих на выходе) могут быть использованы
все те же решения, которые были рассмотрены для обычных диодных смесителей. Например, в схеме на
рис. 16 применено включение по балансной схеме.
Рис. 14
Рис. 15
Рис. 16
В заключение необходимо отметить, что область применения смесителей на элементах с “кубической”
характеристикой не ограничивается приемниками прямого преобразования. Они могут использоваться в
модуляторах передатчиков, в супергетеродинных приемниках с высокой частотой входного сигнала и т.п.
Построение графика АЧХ.
Для построения графика АЧХ используют команду анализ AC Frequency которая располагается на вкладке
«Меню Analysis».
AC Frequency - частотный анализ схемы по переменному току. При этом сначала производится анализ
схемы по постоянному току (как в DC Operating Point) для получения линейных, с маленьким сигналом
моделей для всех нелинейных компонентов схемы и точки смещения напряжения. Затем создается
комплексная матрица (содержащая и реальные и мнимые компоненты схемы). При построении матрицы
источникам постоянного тока придаются нулевые значения. Источники переменного тока, конденсаторы, и
катушки индуктивности представлены их моделями переменного тока. Нелинейные компоненты
представлены линейными моделями маленького сигнала переменного тока, полученными по результатам
анализа схемы по постоянному току.
Все входные источники рассматривается, как синусоидальные. Частота источников игнорируется. Если
используемый генератор функций установлен на квадратную или треугольную форму волны, во время
анализа он будет автоматически переключен (для внутреннего представления) на синусоидальную форму
волны.
Затем производится расчет ответа схемы по переменному току как функции частоты.
Допущения: аналоговые устройства, малосигнальные; цифровые компоненты обрабатываются как большие
сопротивления (резисторы) относительно "земли".
Замечание. Узлы, находящиеся внутри подсхем, не могут быть выбраны для анализа.
Выполнение анализа:
1. Рассмотрите вашу схему и остановитесь на узлах для анализа. Вы можете задать амплитуду и фазу
источника тока для анализа AC Frequency. Для этого произведите двойной щелчок на выбранном источнике
и перейдите на закладку Analysis Setup в открывшемся меню.
2. Выберите Analysis/AC Frequency.
3. Произведите необходимые установки в открывшемся диалоговом окне рис. 17 (не забудьте указать
анализируемый узел).
Рис. 17. Выбран 3-й узел.
4. Нажмите клавишу Simulate (Моделирование). Для остановки анализа (при необходимости) нажмите ESC.
Результат частотного анализа схемы по переменному току показан на двух графиках (рис. 18): усиление в
зависимости от частоты и фаза в зависимости от частоты. Эти графики появляются, когда анализ
закончился.
Рис. 18
Анализ Фурье
Команда выполняет анализ Fourier. Fourier - анализ Фурье, оценивает постоянную составляющую,
основную и гармонические компоненты периодического сигнала. Анализ выполняет Дискретное
Преобразование Фурье этого сигнала. Производится преобразование формы волны периодического
напряжения в ее частотные компоненты. Electronics Workbench автоматически выполняет анализ
периодического сигнала, чтобы произвести анализ Фурье.
Вы должны выбрать выходной узел в окне диалога. Выходная переменная - узел, в котором производится
анализ формы волны напряжения.
Анализ также требует задание основной частоты, которая должна быть установлена в частоту источника
переменного тока в вашей схеме. Если Вы имеете несколько источников переменного тока в вашей схеме,
Вы можете установить основную частоту в значение наименьшего общего множителя частот. Например,
если Вы имеете источник 10.5 кГц и источник 7 кГц, установите основную частоту в 0.5 кГц при это м надо
учитывать, что частоты первого и второго источника должны быть кратны друг другу с коэффициентом
частоты которую вы установили в поле Fundamental Frequency. В противном случае вы не уведете
гармоники принадлежащие частотам генераторов
Значения следующих параметров могут быть определены произвольно:
- число частотных компонентов, показанных между гармониками,
- частота осуществления выборки,
- параметры анализа периодического сигнала, на котором выполняется дискретный анализ Фурье.
Если не указаны, эти параметры рассчитываются автоматически.
Замечание. Узлы, находящиеся внутри подсхем, не могут быть выбраны для анализа.
Выполнение анализа:
1. Рассмотрите вашу схему и остановитесь на узлах для анализа.
2. Выберите Analysis/Fourier.
3. Произведите необходимые установки в открывшемся диалоговом окне рис. 19 (не забудьте указать
анализируемый узел).
Рис. 19. Окно анализа Фурье
4. Нажмите клавишу Simulate (Моделирование). Для остановки анализа (при необходимости) нажмите ESC.
Анализ Фурье выводит график амплитуд частотных компонентов (гармоник) Фурье (рис. 20.) и,
произвольно, значения фаз компонентов, в зависимости от частоты. По умолчанию график амплитуд
представлен в виде гистограмм, но может быть задан, чтобы быть отображен в виде линии.
Рис. 20
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.Собрать схему представленную на рис.21.
2. Запустить симуляцию схемы. Убедиться в работоспособности схемы. Зарисовать сигналограмму в точках
5и8
3. Провести анализ функции Фурье в точке 8 с помощью команды Fourier. При проведение анализа Фурье
выберите частоту основной спектральной составляющей 50 КГц и максимальный номер спектральной
составляющей 200
4. Зарисовать распределение спектральных характеристик на частотной оси.
5. Укажите на графике расположение спектральных составляющих fг, fс, fс + fг, fс - fг и зеркального канала.
6. Замените диоды смесителя на SS12 из библиотеки general 2.
7. Повторите пункты 2-5.
8. Сделайте выводы, как влияет замена диода в смесителе почему.
Рис. 21
Внимание: Для того чтобы правильно определить спектральные составляющие сигнала, необходимо
изменить шкалу Y(f) так чтобы можно было наблюдать спектральные составляющие fс - fг не менее
чем на половину высоты графика. Для этого измените уровень максимального значения по оси Y в
конфигурации графика (рис. 22).что бы вызвать данную вкладку конфигурации нажмите на
пиктограмму
которая расположена верхней части панели Analysis Graphs.
Рис. 22
Контрольные вопросы.
1. Как выглядит выражение выходного сигнала смесителя?
2. Нарисуйте частотный спектр сигнала на выходе смесителя. Объясните.
3. Что такое зеркальный канал?
4. Какие паразитные составляющие частотного спектра на выходе смесителя вы знаете.
Объясните причины их появления.
5. Нарисуйте схему простейшего диодного смесителя. Объясните принцип его работы.
6. Напишите выражение для тока диода смесителя выполненного на одном диоде. Дайте
пояснения.
7. Нарисуйте схемы балансного и кольцевого балансного смесителя. В чем преимущества
балансного смесителя перед простым?
8. Какая классификация смесителей по уровню мощности сигнала гетеродина принята. Как
осуществляется деление.
В каком случае диода в смесителе работают в квадратичном режиме, а в каком в
переключательном. Чем квадратичный режим лучше переключательного?
10. Нарисуйте схему для смесителя используемого для случая очень высокого уровня сигналов.
11. Какой смеситель используется в приемнике прямого преобразования. В чем его
преимущество перед другими диодными смесителями.
9.
УДК 621.397
Составители: Н.В. Дорогов
Устройства приема и обработки сигналов: Методические указания ______________________по курсу
«___1_____-» для магистров очной формы обучения Сост._______________
Предназначено для изучения магистрами направления 210400