книги / Радиопередающие устройства
..pdfФазовый дискриминатор. Фазовые дискриминаторы широко применяются в системах автоматической настройки. Они являют ся фазочувствительными выпрямителями. Схемы ФД могут быть
различными.
Фазовый дискриминатор на амплитудном детекторе. Простей шая схема ФД представляет собой амплитудный детектор, на вход которого подводится одновременно два напряжения: от ис точника сигнала Uc и опорного генератора Uor При действии двух гармонических колебаний, сдвинутых между собой по фазе, амплитуда выходного напряжения UBhtxо зависит от угла фазово го сдвига ср. Зависимость UBUXo = f(q>) приведена на рис. 3.31. Лучшую форму выходной характеристики обеспечивают баланс ные схемы. Они бывают однополупериодные и двухполупериолные (кольцевые).
Однополупериодная балансная схема фазового дискриминатора. Схема создается из двух детекторов, включенных навстречу друг другу (рис. 3.32). Физические процессы в схеме происходят сле дующим образом.
1. Если к детектору подводится только одно напряжение опор ного генератора LJ4, то в один из полупериодов оба диода закры ты и ток не протекает. В другой полупериод в схеме протекает ток по цепи: от плюса в точке г, через полуобмотки трансформа
тора 77, диоды VDl, |
VD2, резисторы R l, R2, к минусу в точке |
g. На резисторах R1 |
и R 2 появляются полупериоды выпрямленно |
го напряжения встречной полярности, и результирующее напря жение равно нулю.
2.Если на входе дискриминатора действует только одно на пряжение Uu то в один полупериод напряжение верхней полуоб мотки аб заряжает конденсатор С1 через диод VD1 и вторичную обмотку трансформатора Т2 . Диод VD2 в этот полупериод за крыт. В следующий полупериод напряжение нижней полуобмотки б,'в заряжает конденсатор С2. Полярность заряда конденсаторов встречная, и выходное напряжение, используемое как управляю щее, равно нулю.
3.При действии на входах схемы обоих напряжений: опорного
иот перестраиваемого генератора Uu величина выходного напря-
-90 0 90 180 270
Рнс. 3.31. Зависимость выходного Рис. 3.32. Схема однополупериодного напряжения на выходе фазового Дебалансного фазового дискриминатора тектора от угла фазового сдвига
жения зависит от сдвига фаз <р между напряжениями Ux и U2, а
его полярность определяется знаком поворота фазы |
относител^. |
|
но 90° Зависимость выходного напряжения |
от фазового угла на |
|
зывается характеристикой дискриминатора |
(рис. 3.33). |
дискримц. |
Двухполупериодные или кольцевые схемы фазовых |
||
наторов. В этих схемах четыре диода включаются в проводящее направлении по замкнутому кольцу, образуя мост. В одну диа гональ моста включается напряжение опорного генератора (квар
цевого) Uкв, в |
другую — от стабилизируемого диапазонного |
пе |
рестраиваемого |
генератора t/n r. Нагрузка RH подключается |
к |
обеим диагоналям через средние точки трансформаторов 77 и Т2 (рис. 3.34). Рассмотрим работу схемы.
1. Если на вход дискриминатора подано только напряжение опорного генератора, то в один полупериод открываются диоды VD1 и VD3, а в другой — VD2, VD4. Каждая пара открытых дио дов и полуобмотки трансформатора 77 образуют мост, в диаго наль которого включена нагрузка RH через полуобмотки транс форматора Т2. Поэтому во время обоих полупериодов баланс мос та сохраняется и напряжения UKB на нагрузке нет.
2. Если на вход дискриминатора подается только напряжение диапазонного перестриваемого генератора <7ПГ, то в один из по-
лупернодов открыты диоды VD3, VD4, |
а в другой — VD1, VD2. |
Для этого напряжения пара открытых |
диодов и полуобмотки |
трансформатора Т2 образуют мост, в диагональ которого вклю чена нагрузка Rn, поэтому на RB нет напряжения U пг-
3.На входах дискриминатора действуют оба напряжения UKD
иUПг с одинаковой частотой /к=/пг На полуобмотках транс форматоров напряжения по отношению к средним точкам противофазны. Следовательно, трансформатор является фазорасщепи-
телем. При этом возможны два случая соотношения фаз сравни ваемых напряжений: либо они синфазны, либо противофазны.
Напряжения считают синфазными, когда мгновенная поляр ность напряжений в точках а, б и в трансформатора 77 такая же,
Т1
фазового дискриминатора |
го дискриминатора |
152
как и в точках в, г и д Т2\ противофазными — когда полярность в указанных точках противоположна. В результате на выходе, т. е. на нагрузке RB, получаем напряжение, изменяющееся в соответст вии с характеристикой, приведенной на рис. 3.30.
Импульсно-фазовые дискриминаторы. В обычных фазовых ди скриминаторах сравниваются гармонические колебания. При этом получается довольно широкий спектр побочных составляющих и других шумов. Оказывается, что уровень шумов в выходном на пряжении синтезатора можно уменьшить, сравнив в дискримина торе импульсные колебания. Такие дискриминаторы называются импульсными.
В импульсно-фазовом дискриминаторе опорные колебания (синхроимпульсы) имеют прямоугольную форму, а стабилизируе мые могут иметь любую, но чаще всего они также имеют прямо угольную или пилообразную форму.
Применяют импульсно-фазовые детекторы двух видов: а) триг герные; б) коммутаторные или ключевые.
Триггерный импульсно-фазовый детектор представляет собой триггер с раздельными входами: на один подается опорное на пряжение, на другой — стабилизируемое. Известно, что для чет кого срабатывания триггера необходима прямоугольная форма сигналов на входеНо автогенераторы возбудителя — опорный и стабилизируемый — создают гармоничеокие (синусоидальные) ко лебания. Из этих колебаний импульсы прямоугольной формы фор мируются с помощью двухстороннего ограничителя, отсекающего вершины синусоиды.
Принцип действия триггерного ИФД заключается в изменении временных интервалов путем преобразования взаимного времен ного фазового рассогласования двух импульсных напряжений в широтно-импульсную модуляцию выходных импульсов. На выходе ИФД получается последовательность прямоугольных импульсов, частота следования которых равна опорной частоте, а скважность зависит от знака и рассогласования входных напряжений. Харак теристика ИФД подбирается пилообразной формы (рис. 3.35). Поэтому среднее значение напряжения на выходе ИФД Us Фз будет пропорционально фазовому рассогласованию подведенных напряжений <р.
Достоинством триггерного ИФД является простота конструк ции. Они обычно выполняются на микросхемах. Но в них имеется
существенный недостаток: высокий уровень помех с частотами, кратными опорной. Для снижения уровня помех после ИФД ста. вится инерционный ФНЧ, подавляющий в достаточной степенц гармоники — помехи, но ухудшающий динамические свойства сис темы. Эти противоречивые свойства устраняются в ключевой схе. ме ИФД, уровень шумов на выходе которого на 30... 100 дБ мень ше, чем у триггерного.
Коммутаторный ИФД состоит из генератора напряжения, ком мутатора К и накопителя С, соединенных, как показано на рис. 3.36. Генератор напряжения ГН запускается напряжением от опорного генератора, а управление коммутатором К осуществляв ется от управляемого генератора ГУ. На конденсаторе формиру ется напряжение, пропорциональное разности фаз сравниваемых сигналов.
Достоинство коммутаторных ИФД — низкий уровень шумов, вследствие чего их широко применяют в современных цифровых синтезаторах частоты.
Фильтр нижних частот в системах АПЧ предназначен для ос лабления побочных колебаний в заданных пределах. Требуемое затухание можно получить, используя различные фильтры. От схе мы фильтра зависит полоса захвата и уровень паразитной частот ной модуляции управляемого генератора. В системах АПЧ ис пользуются фильтры типа LC (рис. 3.37,а) и пропорциональноинтегрирующие фильтры RC (рис. 3.37,6). Фильтры RC обеспе чивают сравнительно большую полосу захвата и достаточное за тухание колебаний соВх. Но эти фильтры довольно инерционны. Они замедляют все переходные процессы ФАП, и быстрые флук туации частоты перестраиваемого ведомого генератора не ком мутируются системой ФАП.
Фильтры типа LC могут обеспечивать высокие скорости регу лирования. Поэтому их применяют в системах ФАП, где требуют ся относительно высокие скорости регулирования. Один контур фильтра LC настраивается на основную частоту входного напря жения, а другой — на вторую его гармонику 2(D„X. Э то обеспечи вает необходимое затухание колебаний с частотой ©Вх в полосе пропускания, а нужные колебания пропускаются фильтром без за-
Рис. |
3.36. Структурная |
Рис. 3.37. Принципиальные |
схемы |
пропорцио- |
схема |
имлульсно-фазо- |
нально интегрирующего фильтра: |
|
|
вого |
дискриминатора |
а _ яс-фильтра; б — ЬС-фильтра |
нижних |
частот |
коммутаторного типа
метных искажений, что позволяет получить требуемую полосу захвата и хорошую компенсацию флуктуаций частоты ведомого генератора системой ФАП. Так, система ФАП с LC-фильтром, имеющим в полосе задержания затухание более 60 дБ, полоса захвата составляет 40... 50% нижней частоты полосы задержания фильтра.
Управители. В системах фазовой автоподстройки частоты обычно применяют электронное управление частотой. В качестве управителя частоты чаще всего используют варикап, связанный с контуром перестраиваемого автогенератора, емкость которого зави сит от управляющего напряжения на варикапе.
3.17. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ДИАПАЗОННО-КВАРЦЕВОИ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ
В современных радиопередатчиках широко применяют возбудители
сиспользованием цифровых интегральных микросхем. Синтезаторы
сцифровой ФАП на микросхемах обеспечивают высокую надеж ность, простоту функциональных схем, снижение стоимости и др.
Простейшая функциональная схема синтезатора с ЦФАП при ведена на рис. 3.38. Она представляет собой кольцо импульсно-фа зовой автоподстройки частоты. Но поскольку цифровые синтезато ры работают с импульсными сигналами, то создаваемые ОГ и ГУ гармонические колебания преобразуются в однополярные после довательности импульсов с частотами следования /0г 11 / г у - Это преобразование осуществляется в формирователях импульсов ФИ1
иФИ2, в которых имеются усилители-ограничители.
На работе цифрового синтезатора частот сказываются особен ности импульсного режима. Длительности фронтов и спадов им пульсов несколько растянуты и нестабильны на выходе форми рователей. Это вносит дополнительный фазовый шум в кольцо ЦФАП. Кроме того, они чувствительны к импульсным помехам. Поэтому синтезаторы с ЦФАП требуют лучшей защиты от воз
действия помех, чем системы с аналоговой ФАП. |
|
|
|
Недостатком ЦФАП является то, что частота /ог |
опорного |
||
генератора зависит не от абсолютного значения |
/ гу , |
а от шага |
|
сетки fm. Это означает, что |
для большого числа |
фиксированных |
|
частот надо уменьшать /ш и |
полосу пропускания ФНЧ. А это при- |
||
Рис. 3.38. Функциональная схема синтезатора с ЦФАП
водит к большей инерционности системы, и ее нельзя сделать «быстрой». Цифровые синтезаторы используют в диапазоне
коротких |
волн. |
Введение |
в |
схему |
смесителя, |
осуществляющего |
||||||
перенос |
спектра |
|
сигнала на |
выходе |
ГУ |
в |
область более |
|||||
низких |
частот |
на |
величину |
/д0П, |
позволяет |
расширить |
ди |
|||||
апазон |
рабочих |
частот |
системы |
до |
100 |
МГц. |
Причем |
сиг |
||||
нал с |
частотой |
/доп |
должен |
быть |
высокостабилизирован- |
|||||||
ным. Одна из практических схем с ЦФАП формирует сетку из 80 частот с шагом 25 кГц.
3.18. ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ АПЧ В ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
Учитывая особенности радиосвязи в гражданской авиации, воз будители передатчиков самолетной аппаратуры строят по слож ным схемам с использованием синтезаторов частоты. В качестве примера рассмотрим возбудитель-синтезатор радиостанции «Ясень-50». Он генерирует высокостабильные колебания дискрет ной сетки 719 частот с шагом 25 кГц и интервалами смещения не сущей на ± 4 и ± 8 кГц. Относительное отклонение частоты опор ного генератора не более ±3-10~7.
Возбудитель содержит следующие блоки (рис. 3.39):
опорный генератор (ОГ) «Гиацинт-М», генерирующий коле бания частоты 5 МГц;
делитель опорной частоты (ДОЧ) с коэффициентом деления
.1600; генератор, управляемый напряжением (ГУН);
делитель частоты ГУН с фиксированным коэффициентом де ления (ДФКД). равным 8;
делитель частоты с дробно-переменным коэффициентом деле ния (Д ДП КД);
систему индикации; фильтр нижних частот;
частотно-фазовый детектор (ЧФД ).
Синтезатор работает по методу активного синтеза частот. В нем используется один источник опорной частоты. Фильтрация
Рис. 3.39, Схема возбудителя радиостанции «Ясень-50»
156
колебаний синтезируемой частоты осуществляется с помощью активного фильтра в виде кольца частотно-фазовой автоподстрой ки (ЧФАП).
Делитель опорной частоты (ДОЧ) осуществляет деление час тоты. Поэтому частота опорного генератора for понижается до частоты сравнения и подается на вход ЧФД:
/cp= f or/WOn=5000 МГц/1600 = 3,125 кГц.
Напряжение этой частоты после ФНЧ поступает на ГУН, ко торый может перестраиваться в диапазоне 13,973... 118,000 МГц. Радиочастотное напряжение с ГУН усиливается буферными уси лителями (УБ, А2, А4) и подается на делитель частоты с фикси рованным коэффициентом деления (ДФКД), равным 8- ДФКД состоит из широкополосного усилителя (УШП) и трех делителей на 2 (ДЧ1, ДЧ2, ДЧЗ). С выхода ДФКД напряжение подается на
вход ДД ПКД, с выхода которого на ЧФД |
подается напряжение |
с частотой сравнения /Ср = 3,125 кГц. В ДД |
ПКД создается сетка |
частот с шагом 25 кГц. С выхода ДД ПКД напряжение частоты сравнения подается на ЧФД, куда подводится напряжение опор ного генератора, снижаемое на частоте в ДОЧ.
В радиостанции применен триггерный детектор, особенностью которого является простота схемы и возможность легко преобра зовывать его в частотно-фазовый. Он обеспечивает захват во всей полосе рабочих частот синтезатора. Частотно-фазовый детектор вырабатывает управляющее напряжение, которое поступает на ГУН и изменяет его частоту до тех пор, пока не произойдет за хват. Если напряжение с выхода ДОЧ опережает по фазе сигнал с выхода ДД ПКД, то управляющее напряжение на выходе ФНЧ увеличивается, уменьшая емкость варикапа и этим повышая час тоту колебаний ГУН. Высокостабильные колебания с ГУН по даются для дальнейшего усиления.
В бортовой радиостанции «Баклан-5» возбудитель выполнен по аналогичной схеме. Синтезатор частоты работает по методу активного синтеза, т. е. используя один опорный генератор и ак тивный фильтр в виде кольца частотно-фазовой автоподстройки. В режиме передачи синтезатор выдает напряжение в диапазоне 13,975... 118,000 МГц.
3.19. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
Для обработки сигналов в радиоэлектронной аппаратуре граж данской авиации все шире применяется цифровая техника с ис пользованием микропроцессоров. Так, в бортовой радиостанции дальней навигации «Лоран-С» процессор обработки сигналов вы полняет программы поиска сигналов, определения навигационного параметра, вычисления местоположения, управления АРУ и ан
тенной системой, а также определения качества сигнала (отноше ние сигнал-шум).
Процессор приемника реализует все алгоритмы обработки сиг налов при обнаружении и измерении задержки и доплеровского сдвига частоты.
|
|
Контрольные вопросы |
|
|
|
|
|
|
|
||
1. Назовите |
причины |
нестабильности |
частоты |
радиопередатчика. |
|||||||
2. Поясните необходимость стабилизации частоты авиационных радиопе |
|||||||||||
редатчиков. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Поясните |
параметрические способы |
стабилизации |
частоты. |
|
|||||||
4. Поясните |
принцип стабилизации частоты с помощью кварца. |
||||||||||
5. Нарисуйте |
схему кварцевого автогенератора |
и |
поясните |
принцип ра~ |
|||||||
боты ее. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. |
Нарисуйте |
эквивалентную |
схему |
кварцевого |
резонатора. |
|
|
||||
7. |
В чем заключаются |
особенности |
кварцевого |
резонатора |
по сравнению |
||||||
с колебательным контуром из катушки и конденсатора? |
|
|
|
|
|||||||
8. Назовите |
параметры кварцевого резонатора и их значения. |
||||||||||
9. |
Нарисуйте |
схему автогенератора с кварцем в |
цепи |
обратной |
связи. |
||||||
10. |
Нарисуйте схему Б. К. Шембеля с кварцем. |
|
|
|
|
|
|||||
11. |
Поясните |
необходимость |
диапазонно-кварцевой |
стабилизации |
частоты, |
||||||
12. Поясните принцип диапазонно-кварцевой стабилизации частоты. |
|||||||||||
13. |
Назовите |
основные |
технические |
требования |
к |
синтезаторам. |
|
||||
14.Поясните принцип классификации систем ДКСЧ.
15.Нарисуйте структурную схему интерполяционного метода и поясните работу схемы.
16.Нарисуйте структурную схему стабилизации по методу генератора гар моник и поясните ее работу.
17.Поясните работу декадного синтезатора частот.
18.Поясните принцип возникновения побочных колебаний.
19. Назовите основные элементы систем диапазонно-кварцевой стабилиза ции частоты.
20. Нарисуйте структурную схему диапазонно-кварцевой стабилизации час тоты с косвенным синтезом.
21. Назовите признаки классификации систем автоподстройки частоты.
22.Нарисуйте структурную схему частотной автоподстройки частоты и по ясните ее работу.
23.Нарисуйте структурную схему фазовой автоподстройки частоты и по ясните ее работу.
24. Поясните особенности частотно-фазовой системы автоподстройки.
25.Назовите основные элементы систем АПЧ.
26.Поясните работу частотного детектора.
27.Поясните работу фазового детектора.
28.Нарисуйте характеристику фазового детектора.
29.Поясните работу кольцевого фазового дискриминатора.
30.Поясните работу цифровой системы ДКСЧ.
Г л а в а 4. ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ
4.1. ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ
Общие сведения
Электромагнитные волны короче 10 м ранее назывались ультра короткими (УКВ), а соответствующие им частоты — сверхвысо кими (СВЧ). В настоящее время для волн короче 10 м принята следующая классификация:
метровые волны (МВ) 10... 1 м или очень высокие частоты (ОВЧ) 30 ... 300 МГц;
дециметровые волны (ДМВ) 10... 1 дм или ультравысокие час тоты (УВЧ) 300 ... 3000 МГц;
сантиметровые волны (СМВ) 10 •.. 1 см или сверхвысокие час тоты (СВЧ) 3 ... 30 ГГц.
В гражданской авиации радиоустройства, работающие в ука занных диапазонах, применяют для связи, радиолокации, радио навигации, телевидения и др. Деление на диапазоны является ус ловным, резких границ между этими диапазонами нет. Поэтому в дальнейшем частоты свыше 30 МГц иногда будем называть СВЧ.
Усилители и генераторы электрических сигналов на частотах свыше 30 МГц (Х <10 м) имеют ряд особенностей по сравнению с такими же устройствами на частотах ниже 30 МГц. Эти особен ности являются следствием того, что на работу генераторов в усилителей на СВЧ оказывают влияние два фактора: реактивно сти электронных приборов и инерция электронов. Влияние реак тивности электронных приборов и инерция электронов. Влияние реактивностей электронных приборов проявляется в том, что междуэлектродные емкости в лампах, емкости р—я-переходов в по лупроводниковых приборах и индуктивности выводов электродов оказываются сравнимыми с параметрами колебательного контура L и С, необходимыми для получения резонанса на этих частотах. Инерция носителей зарядов проявляется в том, что время про хождения (пролета) электронов междуэлектродного пространства на СВЧ оказывается соизмеримым с продолжительностью перио да колебаний.
Оба фактора приводят к уменьшению коэффициента усиления, увеличению потерь мощности, а также к сдвигу по фазе между напряжением на входе и на выходе. Причем чем выше частота, тем сильнее .явление этих факторов. На какой-то очень высокой частоте влияние их настолько сильно, что коэффициент усиления каскада оказывается меньше единицы и электронный прибор те ряет усилительные свойства. А сдвиг по фазе между напряжением на выходе и на входе достигает такого значения, что в автогене
раторе, построенном на этом приборе, не выполняется баланс фаз и генерация не возникает. Поэтому те электронные приборы, которые хорошо работают на низких частотах, на какой-то очень высокой частоте не могут ни усиливать, ни генерировать колеба ния. В результате на очень высоких частотах применяют специ альные электронные приборы и колебательные системы конструк тивно изменены так, что влияние указанных факторов сводится к минимуму.
Влияние междуэлектродных емкостей и индуктивностей выводов электродов на работу электронных приборов на СВЧ
С повышением частоты, которую должен генерировать автогене ратор или усиливать усилитель, значения параметров L и С ре зонансной системы уменьшаются и на СВЧ становятся сравни мы со значениями междуэлектродных емкостей и индуктивностей выводов электродов ламп и емкостей р—«-переходов транзисто ров. Поэтому при построении схем генераторов и усилителей на СВЧ необходимо учитывать реактивности электронных приборов.
На рис. 4.1 ,а |
приведена эквивалентная схема триода |
в диапазоне |
СВЧ. Здесь |
'La, LK и Lc — индуктивности анодного, |
катодного и |
сеточного выводов, а Сак, Сск и Сса — междуэлектродные емкости триода. Чтобы получить схему автогенератора, нужно соединить вне лампы анод с катодом и сетку с катодом для создания пути прохождения токов анода и сетки. Получим схему рис. 4.1,6. Преобразуем эту схему к виду рис. 4.1,в. Из рисунка видно, что индуктивности выводов относительно точки с (сетка) соединена звездой. Пересчитаем соединение индуктивностей звездой в со единение треугольником и получим схему рис. 4.1,г. К этим ин дуктивностям подключены емкости лампы. Получим схему рис. 4.2. Таким образом, реактивности лампы образуют трехконтурную резонансную систему, имеющую две собственные резонансные частоты, на которых возможна генерация. Колебания в таком ав тогенераторе возникают на той частоте, на которой выполняются условия самовозбуждения. Лампа не может усиливать или гене-
a) |
t) |
б) |
>) |
Рис. 4.1. Эквивалентные схемы триода на СВЧ
160