Урок 7

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  

Если усиление принимаемых высоко­частотных сигналов производится на одной постоянной частоте, то радиоприемник освобождается от недостатков, присущих приемникам прямого усиления. Характерным элементом супергетеродинного при­емника является преобразователь частоты (ПЧ), расположенный между усилителем радиочастоты (или входной цепью) и усилителем

промежуточной частоты. В преобразователе частоты происходит пре­образование колебаний, принимаемых радиоприемником сигналов одной частоты в колебания другой. При преобразовании частоты про­исходит процесс линейного переноса спектра принимаемого сигнала по шкале частот из одной части радиочастотного диапазона в другую без изменения соотношений между его составляющими. Для модулирован­ных сигналов это означает повышение или понижение несущей частоты с сохранением вида и закона модуляции (рис. 12.1).

Частота сигнала, полученная после преобразования, называется промежуточной и обозначается f_пр. Таким образом, основной задачей преобразования в радиоприемнике является преобразование частоты принимаемого сигнала f_с в промежуточную частоту f_пр. Одновременно происходит усиление или ослабление принимаемого сигнала, а также выделение промежуточной частоты из спектра выходного тока преобра­зовательного прибора. В структурную схему преобразователя частоты (рис. 12.2) входят преобразовательный прибор ПП, гетеродин Г и избирательная цепь ИЦ с цепями связи т₁ и т₂. Процесс преобразо­вания частоты осуществляется с помощью параметрических преобра­зовательных систем. В связи с малым уровнем подаваемых на вход преобразователя сигналов f_с электронные приборы (биполярные и полевые транзисторы, диоды, электронные лампы) по отношению к ним можно считать линейными. Поэтому преобразовательные при­боры можно представить в виде линейных активных двухполюсников

 

 

 

 

 

 

Рис. 12.2 Структурная схема преобразователя частоты.

 

 

или четырехполюсников с периодически изменяющимися под воздействием большого напряжения гетеродина параметрами. Преобразование частоты в этом случае можно рассматривать как параметрическое. Избирательная цепь служит для выделения составляющих спектра выходного тока преобразова­теля вблизи выбранной промежуточной частоты. В качестве избира­тельных цепей преобразователей частоты применяются фильтры со­средоточенной селективности (ФСС), двухконтурные полосовые филь­тры или одиночные контуры.

 

Принцип преобразования частоты

 

Преобразование частоты осуществляется с помощью нелиней­ных систем или систем с периодически изменяющимися парамет­рами. При использовании нелинейной системы на нее воздейству­ют Два колебания: колебание частоты принимаемого сигнала и ко­лебание вспомогательной частоты гетеродина. Схема простейшего преобразователя g диодом в качестве нелинейной системы приведе­на на фиг. 6.1.

 

 

 

 

 

 Ток разностной (промежуточной) частоты, возникающий в цепи диода, выделяется на колеба­тельном контуре, настроенном на эту ча­стоту

 fпр =fг – fс. Нелинейными элемен­тами таких систем также могут быть тран­зисторы, электронные лампы, полупровод­никовые и параметрические  диоды.

   К системам с изменяющимися парамет­рами относятся электронные лампы с дву­мя управляющими сетками и полевые транзисторры с двумя затворами.

Рассмотрим процесс преобразования частоты в цепи с нелиней­ным элементом, вольт-амперная характеристика которого задана полиномом второй степени:

где и — сумма напряжений сигнала и гетеродина.

Определим составляющую тока в цепи нелинейного элемента при воздействии  на  него напряжений двух частот

 

 

    Подставив значение и в выражение (6.1) и использовав форму­лы тригонометрического разложения

 

получим

 

 

 

 

Из формулы (6.6) видно, что ток i кроме составляющих основ­ных ча

стот ω_Г  и  ω_С  содержит постоянные составляющие (первый, четвертый и пятый члены выражения), токи вторых гармоник 2ω_С, 2ω_Г (шестой и седьмой члены) и составляющие разностной и   сум­марной частот (последние члены).

Следует отметить, что составляющую разностной частоты можно получить двумя путями: f_пр =  f_г – f_с,  f_пр = f_с -  f_г. В соответствии с этим различают «верхнюю» настройку гетеродина, ко­торая обычно используется в диапазонах длинных, средних и ко­ротких волн (f_г = fс + fп_Р), и «нижнюю»

 (f_г = f_с — f_пр), которая применяется иногда в диапазоне СВЧ. Ток на выходе нелинейного элемента, являющийся током промежуточной частоты, определяется предпоследним  членом выражения   (6.6)

 

ОСНОВНЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ЧАСТОТЫ

Качество работы преобразователя частоты оценивается следую­щими показателями.

Коэффициентом передачи (усилением), который определяется при точной настройке гетеродина, когда промежуточная частота равна своему номинальному значению.

• Коэффициент передачи может быть по напряжению или мощности; К_пч = U_nPIU_c; К_пч = Р_пр/Р_с, где U_пр, Р_пр — напряжение и мощ­ность промежуточной частоты на выходе ПЧ; U_c, Р_с — напряжение и мощность полезного сигнала на входе ПЧ.

Диапазоном частот гетеродина преобразователя частоты, кото­рый должен быть таким, чтобы перестройка гетеродина совместно с перестройкой входной цепи или входной цепи и УРЧ диапазонного приемника обеспечивала постоянную промежуточную частоту в рабо­чем диапазоне частот.

Избирательностью преобразователя частоты по соседнему ка­налу, которая определяется его резонансной нагрузкой. На качество работы преобразователя частоты большое влияние оказывает стабиль­ность частоты гетеродина которая может изменяться в процессе рабо­ты радиоприемника под влиянием изменения температуры, влажности, напряжения источника питания и механических воздействий. При произвольном изменении частоты гетеродина будет изменяться проме­жуточная частота и, следовательно, уменьшится коэффициент усиления каскадов УПЧ и возникнут искажения сигнала на выходе прием­ника.

Стабильность частоты гетеродина, характеризующаяся относительным изменением частоты гетеродина ∆f/f_0r под влиянием дестабилизирующих факторов, должна быть как можно выше. Величина ее может лежать в пределах от 10^-3 до 10^-10. Так как сигнал па входе преобразователя обычно имеет низкий уровень, то важным параметром, характеризующим преобразователь частоты, является eго коэффи­циент шума или температура шума, особенно в приемниках СВЧ диапазона.

Транзисторные и ламповые преобразователи частоты различаются по способу получения напряжения гетеродина. Схемы преобразова­телей могут быть с отдельным гетеродином или с совмещенным, при котором функции смесителя и гетеродина объединены в одном усили­тельном приборе.

Транзисторные преобразователи различаются способом включения транзистора в смесителе. Наибольшее распространение получили преобразователи, у которых напряжение сигнала подается в цепь базы, а напряжение гетеродина — в цепь эмиттера. Ламповые пре­образователи частоты различают по типу применяемых смесительных ламп — диодов, триодов, пентодов и специальных смесительных ламп — гептодов.