Ротор любого электродвигателя приводится в движение под действием сил, вызванных вращающимся электромагнитным полем внутри обмотки статора. Скорость его оборотов обычно определяется промышленной частотой электрической сети.
Ее стандартная величина в 50 герц подразумевает совершение пятидесяти периодов колебаний в течение одной секунды. За одну минуту их число возрастает в 60 раз и составляет 50х60=3000 оборотов. Такое же число раз проворачивается ротор под воздействием приложенного электромагнитного поля.
Если изменять величину частоты сети, приложенной к статору, то можно регулировать скорость вращения ротора и подключенного к нему привода. Этот принцип заложен в основу управления электродвигателями.
Виды частотных преобразователей
По конструкции частотные преобразователи бывают:
1. индукционного типа;
2. электронные.
Асинхронные электродвигатели, выполненные и запущенные в режим генератора, являются представителями первого вида. Они при работе обладают низким КПД и отмечаются маленькой эффективностью. Поэтому они не нашли широкого применения в производстве и используются крайне редко.
Способ электронного преобразования частоты позволяет плавно регулировать обороты как асинхронных, так и синхронных машин. При этом может быть реализован один из двух принципов управления:
1. по заранее заданной характеристике зависимости скорости вращения от частоты (V/f);
2. метод векторного управления.
Первый способ является наиболее простым и менее совершенным, а второй используется для точного регулирования скоростей вращения ответственного промышленного оборудования.
Особенности векторного управления частотным преобразованием
Отличием этого способа является взаимодействие, влияние устройства управления преобразователя на «пространственный вектор» магнитного потока, вращающийся с частотой поля ротора.
Алгоритмы для работы преобразователей по этому принципу создаются двумя способами:
1. бессенсорного управления;
2. потокорегулирования.
Первый метод основан на назначении определенной зависимости чередования последовательностей инвертора для заранее подготовленных алгоритмов. При этом амплитуда и частота напряжения на выходе преобразователя регулируются по скольжению и нагрузочному току, но без использования обратных связей по скорости вращения ротора.
Этим способом пользуются при управлении несколькими электродвигателями, подключенными параллельно к преобразователю частоты. Потокорегулирование подразумевает контроль рабочих токов внутри двигателя с разложением их на активную и реактивную составляющие и внесение корректив в работу преобразователя для выставления амплитуды, частоты и угла для векторов выходного напряжения.
Это позволяет повысить точность работы двигателя и увеличить границы его регулирования. Применение потокорегулирования расширяет возможности приводов, работающих на малых оборотах с большими динамическими нагрузками, такими как подъемные крановые устройства или намоточные промышленные станки.
Использование векторной технологии позволяет применять динамическую регулировку вращающихся моментов к .
Схема замещения
Принципиальную упрощенную электрическую схему асинхронного двигателя можно представить следующим видом.
На обмотки статора, обладающие активным R1 и индуктивным X1 сопротивлениями, приложено напряжение u1. Оно, преодолевая сопротивление воздушного зазора Хв, трансформируется в обмотку ротора, вызывая в ней ток, который преодолевает ее сопротивление.
Векторная диаграмма схемы замещения
Ее построение помогает понять происходящие процессы внутри асинхронного двигателя.
Энергия тока статора разделяется на две части:
iµ - потокообразующую долю;
iw - моментообразующую составляющую.
При этом ротор обладает активным сопротивлением R2/s, зависящим от скольжения.
Для бессенсорного управления измеряются:
напряжение u1;
ток i1.
По их значениям рассчитывают:
iµ - потокообразующую составляющую тока;
iw - моментообразующую величину.
В алгоритм расчета уже заложили электронную эквивалентную схему асинхронного двигателя с регуляторами тока, в которой учтены условия насыщения электромагнитного поля и потерь магнитной энергии в стали.
Обе этих составляющих векторов тока, отличающиеся по углу и амплитуде, вращаются совместно с системой координат ротора и пересчитываются в стационарную систему ориентации по статору.
По этому принципу подстраиваются параметры частотного преобразователя под нагрузку асинхронного двигателя.
Принцип работы частотного преобразователя
В основу этого устройства, которое еще называют инвертором, заложено двойное изменение формы сигнала питающей электрической сети.
Вначале промышленное напряжение подается на силовой выпрямительный блок с мощными диодами, которые убирают синусоидальные гармоники, но оставляют пульсации сигнала. Для их ликвидации предусмотрена батарея конденсаторов с индуктивностью (LC-фильтр), обеспечивающая стабильную, сглаженную форму выпрямленному напряжению.
Затем сигнал поступает на вход преобразователя частоты, который представляет собой мостовую трехфазную схему из шести серии IGBT или MOSFET с диодами защиты от пробоя напряжений обратной полярности. Используемые ранее для этих целей тиристоры не обладают достаточным быстродействием и работают с большими помехами.
Для включения режима «торможения» двигателя в схему может быть установлен управляемый транзистор с мощным резистором, рассеивающим энергию. Такой прием позволяет убирать генерируемое двигателем напряжение для защиты конденсаторов фильтра от перезарядки и выхода из строя.
Способ векторного управления частотой преобразователя позволяет создавать схемы, осуществляющие автоматическое регулирование сигнала системами САР. Для этого используется система управления:
1. амплитудная;
2. ШИМ (широтного импульсного моделирования).
Метод амплитудного регулирования основан на изменении входного напряжения, а ШИМ - алгоритма переключений силовых транзисторов при неизменном напряжении входа.
При ШИМ регулировании создается период модуляции сигнала, когда обмотка статора подключается по строгой очередности к положительным и отрицательным выводам выпрямителя.
Поскольку частота такта генератора довольно высокая, то в обмотке электродвигателя, обладающего индуктивным сопротивлением, происходит их сглаживание до синусоиды нормального вида.
Способы ШИМ управления позволяют максимально исключить потери энергии и обеспечивают высокий КПД преобразования за счет одновременного управления частотой и амплитудой. Они стали доступны благодаря развитию технологий управления силовыми запираемыми тиристорами серии GTO или биполярных марок транзисторов IGBT, обладающих изолированным затвором.
Принципы их включения для управления трехфазным двигателем показаны на картинке.
Каждый из шести IGBT-транзисторов подключается по встречно-параллельной схеме к своему диоду обратного тока. При этом через силовую цепь каждого транзистора проходит активный ток асинхронного двигателя, а его реактивная составляющая направляется через диоды.
Для ликвидации влияния внешних электрических помех на работу инвертора и двигателя в конструкцию схемы преобразователя частоты может включаться , ликвидирующий:
радиопомехи;
наводимые работающим оборудованием электрические разряды.
Их возникновение сигнализирует контроллер, а для уменьшения воздействия используется экранированная проводка между двигателем и выходными клеммами инвертора.
С целью улучшения точности работы асинхронных двигателей в схему управления частотных преобразователей включают:
ввода связи с расширенными возможностями интерфейса;
встроенный контроллер;
карту памяти;
программное обеспечение;
информационный Led-дисплей, отображающий основные выходные параметры;
тормозной прерыватель и встроенный ЭМС фильтр;
систему охлаждения схемы, основанную на обдуве вентиляторами повышенного ресурса;
функцию прогрева двигателя посредством постоянного тока и некоторые другие возможности.
Эксплуатационные схемы подключения
Частотные преобразователи создаются для работы с однофазными или трехфазными сетями. Однако, если есть промышленные источники постоянного тока с напряжением 220 вольт, то от них тоже можно запитывать инверторы.
Трехфазные модели рассчитываются на напряжение сети 380 вольт и выдают его на электродвигатель. Однофазные же инверторы питаются от 220 вольт и на выходе выдают три разнесенных по времени фазы.
Схема подключения частотного преобразователя к двигателю может быть выполнена по схемам:
звезды;
треугольника.
Обмотки двигателя собираются в «звезду» для преобразователя, запитанного от трехфазной сети 380 вольт.
По схеме «треугольник» собирают обмотки двигателя, когда питающий его преобразователь подключен к однофазной сети 220 вольт.
Выбирая способ подключения электрического двигателя к преобразователю частоты надо обращать внимание на соотношение мощностей, которые может создать работающий двигатель на всех режимах, включая медленный, нагруженный запуск, с возможностями инвертора.
Нельзя постоянно перегружать частотный преобразователь, а небольшой запас его выходной мощности обеспечит ему длительную и безаварийную работу.
8.8.1. Принцип преобразования частоты
Преобразование частоты сигнала – это процесс, который обеспечивает ли- нейный перенос спектра сигнала на оси частот без изменения его структуры. Огибающая сигнала и его начальная фаза при этом не изменяются. Другими словами, преобразование частоты не искажает закон изменения амплитуды, частоты или фазы модулированных колебаний.
Как видно из определения, преобразование частоты сопровождается появ- лением новых составляющих спектра, т.е. приводит к обогащению спектра сиг- нала. Поэтому такой процесс можно реализовать только с использованием не- линейного или параметрического устройств, обеспечивающих умножение пре- образуемого сигнала на вспомогательное гармоническое колебание с после- дующим выделением необходимой области частот.
Действительно, если на вход умножителя подать два сигнала:
uвх (t ) = U (t )cos[ω0t + ϕ(t )]
и u г (t ) = U г cos(ωгt + ϕг),
то на выходе получим сигнал суммарной и разностной частот:
uвых (t ) = KU (t )U г cos[ω0t + ϕ(t )]cos(ωгt + ϕг) =
= KU (t )U г {cos[(ω
+ωг)t +ϕ(t ) +ϕг]+ cos[(ω0
−ωг)t +ϕ(t ) −ϕг]},
где K – коэффициент передачи умножителя.
Выходной фильтр, настроенный, например на разностную частоту, выде- лит составляющую разностной (промежуточной) частоты. Такое нелинейное устройство называют смесителем , а источник гармонического колебания – ге- теродином .
Структурная схема преобразователя частоты представлена на рис. 8.41.
Рис. 8.41. Структурная схема преобразователя частоты
Преобразование частоты применяется в супергетеродинных приемниках для получения сигнала с промежуточной частотой. Величина промежуточной
должна быть таковой, чтобы без особых затруднений достигалось
большое усиление при высокой избирательности приемника. В радиовещатель-
ных приемниках длинных, средних и коротких волн
кГц, а в прием-
никах с частотной модуляцией (в метровом диапазоне волн) –
Преобразование частоты сигнала используется также в приемниках радиолока-
ционных станций, в измерительной технике (анализаторах спектра, генераторах и др.).
8.8.2. Схемы преобразователей частоты
Как было сказано выше, процесс преобразования частоты реализуется пу- тем умножения преобразуемого сигнала на вспомогательное гармоническое ко- лебание с последующим выделением необходимой области частот. Это можно сделать двумя способами, которые положены в основу построения практиче- ских схем преобразователей частоты:
1. Сумма двух напряжений (полезного сигнала и сигнала гетеродина) пода- ется на нелинейный элемент с последующим выделением необходимых состав- ляющих спектра тока. В качестве нелинейных элементов используются диоды, транзисторы и другие элементы с нелинейной характеристикой.
2. Напряжение гетеродина используется для изменения какого-либо пара- метра смесителя (крутизны ВАХ транзистора, реактивного параметра цепи). Полезный сигнал, подаваемый на вход такого смесителя, преобразуется с соот- ветствующим обогащением спектра.
Для выяснения основных особенностей процесса преобразования частоты рассмотрим некоторые схемы преобразователей частоты.
а. Преобразователи частоты на диодах
Схема одноконтурного преобразователя частоты на диоде представлена на рис. 8.42.
Рис. 8.42. Одноконтурный преобразователь частоты на диоде
На вход преобразователя поступают два сигнала:
модулированный узкополосный сигнал
uвх (t ) = U (t )cos[ω0t +ϕ(t )], несущая
частота которого должна быть перенесена, скажем, в область более низких час-
сигнал гетеродина
u г (t ) = U г cos(ωгt + ϕг)
с постоянной амплитудой, частотой
и начальной фазой.
Таким образом, на нелинейный элемент подается напряжение
u(t) = uвх (t ) + u г(t ) = U (t )cos[ω0t +ϕ(t )] +U г cos(ωгt +ϕг).
Аппроксимируем ВАХ диода полиномом второй степени
i = a 0 + a 1u + a 2u .
Тогда ток диода можно представить следующим образом:
i (t ) = a 0 + a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) + 2a 2uвх (t )u г(t ) .
Слагаемые, содержащие только
|
|
) , соответствуют со-
ставляющим в спектре тока диода, имеющим частоты ω0 , ωг,
довательно, они, с точки зрения преобразования частоты, интереса не представ- ляют. Основное значение имеет последнее слагаемое. Именно оно свидетельст- вует о наличии в спектре тока составляющих с преобразованными частотами
2a 2uвх (t )u г(t ) = 2a 2U (t )cos[ω0t + ϕ(t )]U г cos(ωгt + ϕг) =
= à 2U (t )U ã cos[(ω0 +ωã)t +ϕ(t ) +ϕã ] + à 2U (t )U ã cos[(ω0 −ωã)t +ϕ(t ) −ϕã ] .
Составляющая с частотой ωн
соответствует сдвигу спектра сигнала в
область низких частот, а составляющая с частотой ωв
высоких частот.
– в область
Выходное напряжение с необходимой частотой формируется с помощью фильтра (колебательного контура) на выходе преобразователя, настроенного на соответствующую частоту. Фильтр должен выделить одну составляющую из семи. Полагая, что фильтр настроен на разностную (промежуточную) частоту
= ω0 −ωг, получим напряжение на выходе преобразователя, равное
uâûõ (t ) = i (t )R 0
= à 2U (t )U ã R 0 cos[(ω0 − ωã)t + ϕ(t ) − ϕã ] . (8.4)
U (t )
должны выбираться с таким расчетом, чтобы в выражении (8.4) пре-
обладающее значение имели слагаемые с комбинационными частотами. Преоб-
разование частоты часто сопровождается усилением полезного сигнала, поэто-
му обычно соблюдается соотношение U г
>>U (t ).
При ω0 >> ωг
расстройка частот ω0 +ωг, ω0 −ωг
весьма мала. При этом составляющие с частотами сигнала или гетеродина не
будут отфильтрованы избирательной системой. Нежелательно также примене- ние этой системы при решении задачи преобразования частоты в диапазоне акустических частот. В этом случае целесообразно использовать балансные схемы, которые обеспечивают самоликвидацию (компенсацию) ненужных со- ставляющих. На рис. 8.43,а и рис. 8.43,б приведены схемы таких преобразова- телей на диодах.
Рис. 8.43. Балансные преобразователи частоты
В схеме рис. 8.43,а выходное напряжение равно
uвых (t ) = u 1(t ) − u 2 (t ) = [i 1(t ) − i 2 (t )]R , (8.5)
i 1(t ) = a 0 + a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) + 2a 2uвх (t )u г(t ).
i 2 (t ) = a 0 − a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) − 2a 2uвх (t )u г(t ).
При получении выражения для i 2(t )
учтено, что напряжение сигнала подается
на диоды схем в противофазе, а напряжение гетеродина – в фазе.
Подставляя выражения для i 1 (t )
и i 2 (t )
в формулу (8.5), получаем
uвых (t ) =R .
uвых (t ) = {2a 1U (t )cos[ω0t +ϕ(t )] + 2a 2U (t )U г cos[(ω0 +ωг)t +ϕ(t ) + ϕг]+
2a 2U (t )U г cos[(ω0
− ωг)t + ϕ(t ) − ϕг ]}R .
Отсюда видно, что на выходе балансного преобразователя рис. 8.43,а отсутст-
вуют составляющие с частотами, равными 0, ωг,
2ωг, что упрощает ре-
шение задачи получения выходного сигнала необходимой частоты. Тем не ме- нее к выходу такого преобразователя также необходимо подключать избира- тельную систему с целью фильтрации сигнала с требуемой частотой.
Балансный преобразователь рис. 8.43,б представляет собой схему, совмещаю-
щую два балансных преобразователя. На диоды различных ветвей подаются
напряжения сигнала и гетеродина с различными фазами. Работа такого преоб-
разователя поясняется следующими формулами:
uвых (t ) = u 1(t ) − u 2 (t ) + u 3(t ) − u 4 (t ) = [i 1(t ) − i 2 (t ) + i 3(t ) − i 4 (t )]R , (8.6)
i 1(t ) = a 0 + a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) + 2a 2uвх (t )u г(t );
i 2 (t ) = a 0 − a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) − 2a 2uвх (t )u г(t );
i 3(t ) = a 0 − a 1uвх (t ) − a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) + 2a 2uвх (t )u г(t );
i 4 (t ) = a 0 + a 1uвх (t ) − a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) − 2a 2uвх (t )u г(t ).
Подставляя выражения для i 1 (t ) , i 2 (t ) , i 3 (t )
и i 4 (t )
в формулу (8.6), получаем
uвых (t ) =8a 2uвх (t )u г(t )R .
uвых (t ) = {4a 2U (t )U г cos[(ω0 +ωг)t +ϕ(t ) +ϕг]+
4a 2U (t )U г cos[(ω0 − ωг)t + ϕ(t ) − ϕг ]}R .
На выходе преобразователя рис. 8.44,б отсутствует составляющая с часто-
той сигнала ω0
(составляющие с частотами 0, ωг,
также отсутству-
| |
ляющую из двух.
б. Транзисторные преобразователи частоты
В приемных каналах радиотехнических систем широко используются пре- образователи частоты на транзисторах. При этом различают схемы преобразо- вателей, в которых функции смесителя и гетеродина совмещены, и схемы пре- образователей с подачей сигнала гетеродина извне. Более стабильную работу обеспечивает последний класс преобразователей.
По способу включения транзисторов различают:
1. Преобразователи с включением транзистора по схеме с общим эмитте-
ром и по схеме с общей базой.
Преобразователи с общим эмиттером используются чаще, т.к. имеют луч- шие шумовые характеристики и больший коэффициент усиления по напряже- нию. Напряжение гетеродина может быть подано в цепь базы или в цепь эмит- тера. В первом случае достигается больший коэффициент усиления, во втором
случае – лучшая стабильность коэффициента усиления и хорошая развязка ме-
жду сигнальным и гетеродинным контурами.
2. Преобразователи на усилителях с каскодным включением транзисторов.
3. Преобразователи на дифференциальном усилителе.
4. Преобразователи на полевых транзисторах (с одним и двумя затворами). Основные свойства и характеристики последних трех групп преобразова- телей определяются свойствами усилителей, на основе которых они построены. На рис. 8.44 приведены схемы преобразователей частоты на плоскостных
транзисторах.
напряжение гетеродина – на эмиттер. Контур в цепи коллектора настроен на
промежуточную частоту. Сопротивления
R 1 и R 2
обеспечивают необходимый
режим работы усилителя (положение рабочей точки), сопротивление
Rэ и ем-
кость Cэ
– термостабилизацию положения рабочей точки. Преобразование час-
тоты осуществляется за счет изменения с частотой сигнала гетеродина коэффи-
циента передачи усилительного каскада (крутизны ВАХ транзистора).
Рис. 8.44. Схемы преобразователей частоты на плоскостных транзисторах
Транзисторный преобразователь частоты, изображенный на рис. 8.44,б, по-
строен с использованием дифференциального усилителя. На его вход подается
преобразуемый сигнал, а на базу транзистора VT 3
генератора стабильного тока
подается сигнал гетеродина. Коэффициент усиления и коэффициент шума та- ких преобразователей примерно равны соответствующим коэффициентам уси- лительного каскада.
Схемы преобразователей частоты на полевых транзисторах приведены на рис. 8.45,а – схема с совмещенным гетеродином и рис. 8.45,б – схема с исполь- зованием полевого транзистора с двумя изолированными затворами.
Рис. 8.45. Схемы преобразователей частоты на полевых транзисторах
На рис. 8.45,а полевой транзистор с затвором в виде p-n -перехода выпол-
няет роль смесителя и гетеродина одновременно. Сигнал
uвх (t )
поступает на
затвор транзистора. Напряжение гетеродина
u г(t )
с части гетеродинного кон-
L гC г
подается в цепь истока транзистора. Необходимый режим транзи-
стора обеспечивается соответствующим выбором рабочей точки с помощью
цепи автоматического смещения
R 2C 2 . Резистор
R 1 в цепи затвора обеспечива-
ет стекание зарядов, скапливающихся на затворе. Нагрузка преобразователя – полосовой фильтр, настроенный на необходимую комбинационную частоту стокового тока. Так как входное и выходное сопротивления полевого транзи- стора довольно велики, то входной контур к затвору и контур полосового фильтра к стоку подключаются полностью.
В схеме транзисторного преобразователя частоты на полевом транзисторе с двумя изолированными затворами (рис. 8.45,б) оба затвора используются в качестве управляющих электродов. По существу транзистор работает под воз-
действием суммы двух напряжений. Напряжение
uвх (t )
создается преобразуе-
мым сигналом, подаваемым на первый затвор, а напряжение
u г(t )
– сигналом
гетеродина, подаваемым на второй затвор. Колебательный контур, настроенный на разностную частоту, подключен к стоку транзистора. Достоинством этой схемы является незначительная емкостная связь между цепью подачи преобра- зуемого сигнала и контуром сигнала гетеродина. При наличии такой связи воз- можен захват сигналом частоты колебаний гетеродина. При этом частота сиг- нала гетеродина становится равной частоте преобразуемого сигнала, вследствие чего преобразования частоты происходить не будет.
Преобразование частоты можно осуществить также с помощью парамет- рических цепей. В таких цепях напряжение гетеродина подается на нелинейную емкость (варикап), величина которой изменяется по закону гетеродинного на- пряжения.
| |
Современное состояние радиотехники характеризуется интенсивным раз- витием методов и средств обработки сигналов, широким использованием дос- тижений цифровых и информационных технологий. В то же время нельзя абсо- лютизировать изменчивость базовых фрагментов общей теории радиотехники, положенных в основу методов решения задач анализа и синтеза современных радиотехнических и информационных систем. Как знания и свободная ориен- тация во множестве математических аксиом позволяют приходить к новым вы- водам и результатам, так и знания основополагающих концепций в области мо- делирования сигналов, методов и технических средств их обработки позволяют легко разобраться в новых, пусть даже на первый взгляд очень сложных техно- логиях. Только при наличии таких знаний исследователь или проектировщик может рассчитывать на практическую результативность известного принципа "know-how" (знаю, как).
Вне рамок данной книги остались многие вопросы, непосредственно свя- занные с "детерминированной" радиотехникой. Прежде всего это вопросы ге- нерирования сигналов, дискретной и цифровой фильтрации, методов анализа и построения параметрических и оптоэлектронных устройств. Особого внимания и отдельного обсуждения заслуживают проблемы статистической радиотехни- ки, решение которых немыслимо без широкого кругозора в области методов анализа случайных сигналов и их преобразований, методов решения классиче- ских задач оптимальной обработки сигналов при их обнаружении и измерении.
В последующем планируется издание учебного пособия, посвященного рассмотрению этих проблем с учетом новых теоретических и практических ре- зультатов.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Теоретические основы радиотехники
Учреждение образования.. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.. Кафедра радиотехнических устройств..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Радиотехника и информатика
Для современного общества важнейшей является проблема использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. По своей значимости и актуаль
Диоинформатика
Информационный аспект работы любой системы предполагает использо- вание определенного материального носителя информации. Физический про- цесс, являющийся функцией некоторых параметров и используемы
Передающее устройство
Передающее устройство осуществляет преобразование передаваемого со- общения и приведение его к виду, пригодному для передачи в свободное про- странство с помощью антенн. С этой целью в состав устро
Приемное устройство
Высокочастотные радиосигналы, улавливаемые приемной антенной, по- ступают в приемное устройство. Приемное устройство осуществляет соответст- вующие преобразования принятого высокочастотного сигнала
Проблемы обнаружения и оптимальной обработки сигналов
Одной из основных задач радиолокационного приема является задача об- наружения. Суть этой задачи – определить, содержит ли принимаемое колеба- ние отраженный сигнал. Задача статистическая, то есть
Проблемы оптимизации и адаптации
Проблемы оптимизации и адаптации решаются при проектировании и экс- плуатации РТС. При оптимизации синтезируют наилучшую в определенном смысле функциональную и алгоритмическую структуру РТС, опирая
Математические модели сигналов
Для того чтобы сигналы являлись объектами теоретического изучения и анализа, необходимо иметь их математические модели. Математическая модель сигнала – это формализованное его представление в
Дельта-функция
Дельта-функция (δ -функция, функция Дирака) – это математическая мо-
дель реально не существующего сигнала, который имеет бесконечную по вели-
чине амплитуду и нулевую д
Функция единичного скачка
τ → 0τ
Функция единичного скачка (функция Хевисайда) описывает процесс рез- кого (мгновенного) перехода ф
Характеристики сигналов
Для сигнала, существующего в интервале
∆t = t2 −t1 , наиболее важными
являются следующие характерис
Геометрические методы в теории сигналов
В теории множеств имеется понятие действительного векторного про- странства, под которым понимается непустое множество V , для элементов ко- торого опр
Определение спектров некоторых сигналов
3.4.1. Спектр колоколообразного (гауссова) импульса
Сигнал, описываемый функцией вида
Корреляционный анализ сигналов
3.5.1. Общие положения
При решении многих задач оптимальной обработки сигналов возникает потребность определять степе
Свойства взаимокорреляционной функции
1. Значения
R12 (τ)
и R 21(τ)
не изменятся, если вместо задержки сигнала
s2 (t)
или
Дискретизация и восстановление сигналов по теореме отсчетов
(теореме Котельникова)
3.6.1. Теорема Котельникова
В настоящее время широко применяются циф
Рез равные промежутки времени
∆t ≤1 2 f m .
Справедливость теоремы подтверждается тем, что сигнал
s(t), спектр ко-
торог
Определение коэффициентов ряда
Значение коэффициентов Ck
определим, пользуясь формулой
Ck =
∞
Радиосигналы с амплитудной модуляцией
4.2.1. Амплитудно-модулированные сигналы
Амплитудная модуляция (АМ; английский термин – amplitude modulation) являетс
Радиосигналы с угловой модуляцией
4.3.1. Общие сведения об угловой модуляции
При угловой модуляции (английский термин – angle modulation) происхо- дит изменен
Импульсная модуляция
4.4.1. Виды импульсной модуляции
В рассмотренных выше видах модуляции (АМ, ФМ, ЧМ) носителем пере- даваемой информаци
Узкополосные сигналы
4.5.1. Общие сведения об узкополосных сигналах
В различных системах передачи информации широко применяются радио- сиг
Основные характеристики линейных цепей
5.2.1. Характеристики в частотной области
Спектральное представление сигналов делает весьма удобным их анализ в часто
Дифференцирующая и интегрирующая цепи
На рис. 5.1,а представлена схема линейного четырехполюсника в виде по-
следовательной RC -цепи с постоянной времени τ
= RC
Фильтр нижних частот
В качестве фильтра нижних частот во многих радиотехнических устройст- вах (выпрямителях, детекторах и др.) применяется схема, изображенная на рис. 5.3,а.
Ча
Параллельный колебательный контур
Параллельный колебательный контур – это частотно-избирательная цепь,
образованная параллельным соединением индуктивности L и емкости C . Ак-
Усилители
Для увеличения мощности сигналов с сохранением их формы используют усилители. Принцип действия усилителей основан на преобразовании энергии источника питания в энерг
Область нижних частот
В области нижних частот сопротивление емкости
xc =1 ωC
имеет боль-
шое значение по сравнению со значения
Область верхних частот
В области верхних частот сопротивления емкостей уменьшаются по срав-
нению с их значениями в области нижних и средних частот. Поэтому шунти-
рующим действием емкостей
Положительная обратная связь
Обеспечивается при условии
ϕ(ω) +ϕβ (ω) = 2kπ , где k – целое число, т.е.
при поступлении на вход основной цепи сигнала
Отрицательная обратная связь
Обеспечивается при условии
ϕ(ω)+ϕβ (ω) = (2k +1)π , т.е. при поступле-
нии на вход основной цепи сигнала обратной связи в проти
Реактивная и комплексная обратная связь
Реактивная обратная связь устанавливается при условии
ϕ(ω) +ϕβ (ω) = 2kπ +π
Постановка задачи
Анализ любой радиотехнической цепи сводится к установлению зависимо- сти между входным сигналом и сигналом, формируемым на выходе. В общем случае радиотехническая це
Точные методы анализа линейных цепей
6.2.1. Классический метод
Классический метод основан на составлении и решении линейного диффе- ренциального уравнения
Прохождение периодического сигнала через линейную цепь
Спектр периодического сигнала определяется путем разложения сигнала в ряд Фурье, комплексная форма которого имеет вид
∞
1 T 2
Прохождение непериодического сигнала через линейную цепь
Спектр непериодического сигнала (спектральная плотность) определяется путем вычисления прямого преобразования Фурье
∞
S(jω) =
∫
Приближенные методы анализа линейных цепей
6.3.1. Приближенный спектральный метод
Приближенный спектральный метод применяется в случае, если эффек-
Суть метода
Рассматриваем прохождение сигнала с частотной модуляцией через узко-
полосную цепь. Выходной сигнал определяется для фиксированного значения
частоты
ω(t
Прохождение амплитудно-модулированного сигнала через избирательную цепь
Определим сигнал, формируемый резонансным усилителем, при поступле-
нии на его вход АМ–сигнала с тональной модуляцией.
Частотная характеристика рез
Свойства и характеристики нелинейных цепей
При проектировании большинства радиотехнических устройств возникает необходимость преобразования спектра полезного сигнала. К их числу относят- ся устройства, которы
Способы аппроксимации характеристик нелинейных элементов
Характеристики реальных нелинейных элементов, которые определяют обычно с помощью экспериментальных исследований, имеют сложный вид и представляются в виде таблиц или графиков. В то же время д
Методы анализа нелинейных цепей
Используются следующие методы анализа нелинейных цепей:
1. Аналитические. Позволяют в каждом конкретном случае получить ча-
Общее решение задачи анализа нелинейной цепи
Рассмотрим процессы, происходящие в безынерционном нелинейном уст- ройстве, характеристика которого представлена на рис. 7.2. На вход устройства поступает гармоничес
Определение спектра тока в нелинейной цепи при степенной аппроксимации характеристики
7.5.1. Гармонический сигнал на входе
Предположим, что рабочий участок характеристики нелинейного элемента описывается
Определение спектра тока в нелинейной цепи при кусочно-линейной аппроксимации характеристики
При воздействии на нелинейный элемент сигнала с большой амплитудой и выборе рабочей точки на нижнем изгибе вольт-амперной характеристики целе- сообразно применить ме
Нелинейное резонансное усиление сигналов
Усилитель – это устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию сигнала. Управление преобразованием осуществляется входным сиг-
налом
Умножение частоты
В передающих и приемных трактах систем связи, а также в некоторых из- мерительных устройствах широко применяется нелинейное преобразование гармонического колебания, в результате которого часто
Амплитудная модуляция
8.3.1. Общие сведения об амплитудной модуляции
Амплитудная модуляция – это процесс формирования амплитудно-моду- лиро
Амплитудное детектирование
8.4.1. Общие сведения о детектировании
Детектирование (демодуляция) – это процесс преобразования высокочас- тотного м
Выпрямление колебаний
8.5.1. Общие сведения о выпрямителях
Радиотехнические устройства выполняют свои функции при наличии энер- гии, поступ
Угловая модуляция
8.6.1. Общие принципы получения сигналов с угловой модуляцией
Радиосигналы с угловой модуляцией имеют вид
Детектирование сигналов с угловой модуляцией
8.7.1. Общие принципы детектирования сигналов с угловой модуляцией
Радиосигналы с угловой модуляцией, имеющие вид
3 Преобразователи частоты 2.1 Принципы построения преобразователей частоты Преобразование частоты представляет собой процесс линейного переноса спектра полезного сигнала по оси частот.1 приведен пример изменений тонально модулированного колебания во временной и частотной областях при преобразовании частоты âвнизâ. Из рисунка видно что полезная информация которая заключена в амплитуде начальной фазе и частоте огибающей при преобразовании частоты не изменилась.
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
ЛЕКЦИЯ 4
2.3 Преобразователи частоты
2.3.1 Принципы построения преобразователей частоты
Преобразование частоты представляет собой процесс линейного переноса спектра полезного сигнала по оси частот. Под линейным понимается такой перенос, при котором не изменяется количество спектральных составляющих, расстояние между ними по оси частот, соотношение их амплитуд и начальных фаз. При преобразовании возможно лишь изменение амплитуд гармонических составляющих (увеличение или уменьшение) в одно и тоже число раз и изменение частот этих составляющих (обязательно всех) на одну и туже величину.
На рис.1 приведен пример изменений тонально - модулированного колебания во временной и частотной областях при преобразовании частоты “вниз”. Из рисунка видно, что полезная информация, которая заключена в амплитуде, начальной фазе и частоте огибающей, при преобразовании частоты не изменилась.
Рис.1
Как видно из рисунка, преобразование частоты связано с появлением в спектре выходного сигнала гармонических составляющих, которых не было в спектре исходного колебания. Как известно, расширение спектра возможно лишь в параметрической либо нелинейной цепи. В связи с этим существует два способа переноса спектра сигнала без нарушения его структуры. Это параметрическое преобразование частоты и преобразование с использованием нелинейного элемента.
А) Преобразование частоты с помощью параметрической цепи.
Пусть у параметрической цепи (ПЦ на рис.2) под воздействием напряжения гетеродина
меняется во времени крутизна S (t), связывающая между собой выходной ток и входное напряжение. Закон изменения этого коэффициента во времени (рис.3) будет иметь вид
Рис.2 , (5.1)
где начальное значение крутизны (при отсутствии гетеродинного напряжения); - первая гармоника крутизны, обусловленная действием гетеродинного напряжения; k - размерный коэффициент пропорциональности.
Если на вход параметрической цепи подать напряжение сигнала, для простоты полагая его равным
то выходной ток будет изменяться во времени по закону
(5.2)
Полосовой фильтр (ПФ) L ф C ф можно настроить как на частоту (разностное преобразование частоты), так и на (суммарное преобразование). Выходное напряжение в первом случае, например, будет иметь вид
, (5.3)
где К пф - коэффициент передачи ПФ. Объединяя все постоянные величины выражения (5.3) в коэффициент Ко , окончательно можно записать выходное напряжение в виде:
Рис.3 . (5.4)
Как видно из формулы, амплитуда выходного сигнала пропорциональна амплитуде входного, а значит закон ее изменения (при наличии амплитудной модуляции) в процессе преобразования частоты сохраняется.
Б) Преобразователи частоты на базе нелинейного элемента.
Нелинейным называется элемент, какой либо параметр (параметры) которого зависит от величины воздействующего на него сигнала. Структурная схема преобразователя на базе НЭ изображена на рис.4. Для простоты будем полагать, что зависимость выходного тока от входного напряжения имеет квадратичный характер и описывается выражением
, (5.5)
где к - размерный коэффициент, зависящий от типа параметрической цепи.
Пусть гетеродинное напряжение изменяется по гармоническому закону, (5.6)
а напряжение сигнала, соответственно:,
Рис.4 (5.7)
где - начальная фаза.
Очевидно, что выходной ток будет определяться выражением
(5.8)
Анализ полученного выражения показывает, что в составе выходного тока присутствует постоянная составляющая, величиной
, (5.9)
гармоника на частоте входного сигнала с амплитудой, гармоника на удвоенной частоте сигнала с амплитудой гармоники на частоте гетеродина и удвоенной частоте гетеродина соответственно с амплитудами и. Все эти составляющие не создают падения напряжения на выходном фильтре, настроенном на величину промежуточной частоты.
Выходной сигнал формируется только пятым (), либо шестым () слагаемым из правой части выражения (5.8), в зависимости от того, на какую частоту настроен выходной фильтр. В первом случае напряжение промежуточной частоты описывается выражением:
. (5.10)
Нетрудно видеть, что здесь, как и в предыдущем случае, амплитуда напряжения промежуточной частоты пропорциональна амплитуде входного сигнала U c , а значит, закон амплитудной модуляции при преобразовании частоты не нарушается. Сохраняется информация и о фазе полезного сигнала. Спектр выходного тока изображен на рис.5а.
Соответствующей настройкой полосового фильтра можно выделить колебание как суммарной, так и разностной частоты (Рис.5б). Оба варианта используются на практике с учетом конкретных задач преобразования.
До сих пор при рассуждениях предполагалось, что вольтамперная характеристика нелинейного элемента описывается выражением (5.5), т.е. является квадратичной. Характеристики реальных цепей описываются полиномами более высокой степени. Даже при наличии еще только кубического члена в аппроксимирующем полиноме у напряжения гетеродина появятся высшие гармоники, каждая из которых обеспечит в спектре выходного тока пару комбинационных составляющих в соответствии с формулой:
Где n =0,1,2... . (5.11)
Высшие гармоники гетеродинного напряжения появляются и в случае, если само это напряжение имеет форму, отличную от гармонической. И в этом случае частоты на выходе преобразователя будут описываться выражением (5.11). Отсюда вытекает важное требование к гетеродинам. Они должны обеспечивать получение, по возможности, монохроматического колебания.
В реальных преобразователях имеют место обе вышеуказанные причины возникновения комбинационных частот. Иногда, в силу определенных соображений, может специально использоваться преобразование частоты именно на гармониках гетеродина.
Если в ПЧ на нелинейном элементе обеспечить выполнение неравенства
Uc << Uг, (5.12)
то можно будет полагать, что на положение рабочей точки на ВАХ влияет только гетеродинное напряжение. Для рассматриваемого простейшего случая ВАХ, описываемой формулой (5.5), крутизна в текущей рабочей точке будет меняться в соответствии с выражением
и описание работы преобразователя на нелинейном элементе будет аналогично описанию параметрического преобразователя. При выполнении (5.12) нелинейностью участка характеристики, на которую “падает” входной сигнал, можно пренебречь. Чем сильнее неравенство (5.12), тем более линейной по отношению к сигналу можно считать процедуру преобразования частоты. Реальные значения напряжений гетеродинов, подаваемых на ПЧ, лежат в пределах 0,1...2 В. Напряжения сигналов колеблются от долей микровольта в приемниках без УРЧ, до единиц милливольт, т.е. легко обеспечивается оговоренное выше условие.
Особо следует отметить, что гармоники сигнала могут появиться на входе ПЧ и в результате нелинейности характеристик каскадов, предшествующих преобразователю, Такими каскадами являются УРЧ и входная цепь, если в ней для настройки используются, например, варикапы.
Наличие гармоник сигнала в ПЧ приводит к тому, что среди продуктов преобразования присутствуют составляющие на частотах, описываемых более сложным вариантом формулы (5.11):
, (5.13)
где m=0,1,2....- номер гармоники сигнала.
Очевидно, возможны такие комбинации m и n , при которых комбинационная частота становится равной частоте настройки полосового фильтра и такое колебание проходит на выход преобразователя частоты. Это означает, что не только полезный сигнал после преобразования “пересаживается” на промежуточную частоту, но и всякий другой, частота которого удовлетворяет условию, легко получаемому из (5.13)
, (5.14)
где f пр - частота настройки полосового фильтра (промежуточная частота).
. (5.15)
Если в (5.14) подставить n = 1 и m = 1, то при одной и той же частоте настройки гетеродина получится пара частот, обеспечивающих после преобразования промежуточную частоту:
. (5.16)
Одна из этих частот называется каналом полезного сигнала, а вторая - зеркальным каналом приема. Зеркальный канал и все остальные, получающиеся из (5.14) при n и m не равных единице, называются побочными каналами приема.
В) Варианты преобразования частоты
На практике находят применение различные варианты преобразования частоты.
1) Преобразование “вниз”, при котором спектр сигнала перемещается в область частот, лежащую ниже минимальной частоты рабочего диапазона приемника. Преобразование может быть получено только путем вычитания частот сигнала и гетеродина в соответствии с выражением (разностное преобразование). Здесь возможны два варианта: нижняя настройка гетеродина и верхняя. При использовании нижней настройки спектр принимаемого сигнала не инвертируется (рис.7а), а при верхней происходит инверсия боковых спектров (рис7б). Это необходимо учитывать при последующей обработке сигналов, особенно с несимметричными спектрами, например однополосных.
Перенос спектра ниже минимальной частоты диапазона упрощает схему приемника, так как при этом уменьшается количество преобразований частоты, облегчается получение в каскадах, стоящих после преобразователя, высоких коэффициентов усиления и высокой избирательности. Однако при этом затруднено подавление в преселекторе каналов приема на зеркальной и промежуточной частотах.
2 ) Преобразование “вверх”, при котором спектр принимаемого сигнала переносится выше максимальной частоты рабочего диапазона приемника. Преобразование может быть разностным и суммарным (соответственно рис.8а и 8б).
Разностное может быть реализовано только при верхней настройке гетеродина. Как и в предыдущем случае, здесь происходит инвертирование боковых спектров. Недостатком является также необходимость настройки гетеродина на высокие частоты, что требует принятия дополнительных мер по обеспечению его устойчивости. В приемнике, как правило, увеличивается число преобразований частоты, и возникают трудности в изготовлении высокоизбирательных фильтров в тракте первой промежуточной частоты.
Весьма положительным можно считать, при этом, значительное уменьшение коэффициента перекрытия по частоте гетеродина по сравнению с коэффициентом перекрытия по частоте входного сигнала. Действительно, если, например, нижняя частота рабочего диапазона f н =1 МГц, а промежуточная частота f пр =30 МГц, то частота гетеродина должна быть f г =31 МГц. При увеличении частоты гетеродина до 61 МГц (коэффициент перекрытия гетеродина К п = 61/31 2), верхняя частота рабочего диапазона будет равна f в = 61 - 30 = 31 МГц, а значит коэффициент перекрытия приемника равен 31/1=31, т.е. в пятнадцать раз больше, чем у гетеродина. Легко проверить, что при малых значениях промежуточной частоты эти величины соизмеримы. Коэффициент же перекрытия генератора на практике трудно получить больше 3...5.
Очевидно, существенно при этом упрощается также задача подавления всех побочных каналов приема.
Суммарное преобразование “вверх” может быть реализовано как при верхней, так и при нижней настройках гетеродина.
Нижняя настройка позволяет использовать относительно низкую частоту первого гетеродина. Существенным недостатком здесь является усложнение схемы перестройки, так как для сохранения постоянства промежуточной частоты гетеродин и преселектор должны перестраиваться в противоположных направлениях. Кроме того, увеличивается количество побочных каналов приема, попадающих в рабочий диапазон приемника.
Особенности верхней настройки аналогичны только что описанным, за исключением того, что возникают дополнительные сложности при реализации гетеродина, связанные с необходимостью его настройки на высокие частоты.
2.3.2. Основы теории преобразования частоты
А) Уравнения прямого и обратного преобразования частоты
В общем случае преобразователь частоты (ПЧ) можно представить в виде активного шестиполюсника (рис.9), к которому приложены три напряжения: сигнала u c , гетеродина u г и промежуточной частоты u пр . Пусть, для упрощения выкладок, эти напряжения описываются выражениями:
(5.17)
Выходной ток в такой цепи является функцией всех трех напряжений:
. (5.18)
Вид функции f при этом определяется статической характеристикой нелинейного элемента (НЭ). Как уже отмечалось ранее, для обеспечения линейности преобразования по входному сигналу, необходимо выполнить условие
. (5.19)
Поскольку амплитуда напряжения промежуточной частоты не может быть больше напряжения сигнала, выполняется и условие
. (5.20)
Таким образом, можно считать, что текущее значение напряжения гетеродина задает положение рабочей точки (РТ) на вольтамперной характеристике НЭ, обеспечивая протекание выходного тока. На рис.10 изображено положение РТ для некоторого момента t 1 . Под действием напряжения сигнала выходной ток будет изменяться в небольших окрестностях рабочей точки. В силу неравенства (5.19) участок ВАХ, на который будет «падать» напряжение сигнала, можно считать линейным. На рис.10 этот участок выделен жирной линией. Крутизна этого участка, как видно из рисунка, будет зависеть от текущего положения рабочей точки, определяемого мгновенным значением напряжения гетеродина. Приведенные рассуждения справедливы и для напряжения промежуточной частоты, с той лишь разницей, что крутизна преобразования для этого напряжения, в общем случае, может отличаться от крутизны для напряжения сигнала.
В силу неравенств (5.19) и (5.20) результирующий выходной ток можно представить в виде ряда Тейлора, ограничившись первыми тремя слагаемыми:
. (5.21)
Очевидно, здесь - имеет смысл крутизны ВАХ НЭ по напряжению сигнала, а величина -
выходной (внутренней) проводимости НЭ.
Рис. 10 С учетом этих обозначений формулу (5.21) можно переписать в виде:
. (5.22)
Поскольку величины зависят от напряжения гетеродина, а, значит, являются периодическими функциями времени, каждую из них можно разложить в ряд Фурье:
(5.23)
Подставив правые части выражений (5.23) в формулу (5.22), получим:
(5.24)
Рассмотрение полученного результата позволяет заключить, что в выходном токе будет присутствовать постоянная составляющая I 0 , и гармоники на частотах nω г , ω с , |ω c - nω г |, ω с + n ω г , ω пр ± n ω г . Поскольку n может принимать любое целое значение, количество гармонических составляющих в выходном токе в общем случае равно бесконечности.
Нагрузкой преобразователя частоты служит частотно-избирательная цепь (в простейшем случае - колебательный контур), настроенная на промежуточную частоту ω пр . В силу этого, из всего многообразия гармоник выходного тока, падение напряжения на нагрузке будет создаваться только гармониками с частотой ω пр . В общем случае под промежуточной частотой понимается либо частота |ω c - nω г | либо ω с + n ω г , понятно, что при одном конкретном значении n . Очевидно, что в выражении (5.24) всего две составляющие имеют частоту, равную промежуточной. Наиболее часто используется разностное преобразование, т.е. ω пр = |ω с n ω г |. Для этого случая существенная часть выходного тока (та, которая создает на нагрузке падение напряжения) запишется в виде:
. (5.25)
Падение напряжения на резонансной нагрузке будет равно. Для всех других составляющих выходного тока резонансная нагрузка преобразователя представляет практически короткое замыкание.
Переходя в (5.25) к символической записи, получим:
, (5.26)
где, - комплексные амплитуды тока и напряжений; - начальная фаза входного сигнала (в формуле (5.17) для простоты положена равной нулю); - начальная фаза тока и напряжения промежуточной частоты.
Сокращая в выражении (5.26) частотные множители, получаем линейное уравнение
, (5.27)
связывающее комплексные амплитуды тока промежуточной частоты и напряжений частот сигнала и промежуточной. Это выражение называется уравнением прямого преобразования. Первое слагаемое обусловлено эффектом прямого преобразования, а второе реакцией нагрузки, включенной на выходе преобразователя.
Коэффициент здесь является n -ной гармоникой крутизны нелинейного элемента по входному сигналу. Коэффициент соответственно постоянной составляющей выходной проводимости ПЧ, и характеризует изменение выходного тока промежуточной частоты под действием выходного же напряжения.
Входной ток преобразователя, так же, как и выходной ток, можно представить функцией трех напряжений:
где. Проделав рассуждения, аналогичные предыдущим, можно получить выражение для комплексной амплитуды входного тока на частоте сигнала:
, (5.28)
которое называют уравнением обратного преобразования. Величина амплитуда n -ной гармоники крутизны нелинейного элемента от выходного напряжения ко входному току. Величина входная проводимость преобразователя для входного сигнала.
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 21709. | УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ | 34.95 KB | |
| Они могут быть использованы для преобразования электрической энергии в механическую и обратно. В качестве материалов для преобразователей применяются вещества с сильно выраженной связью упругого и электрического или магнитного состояний. выше порога слышимости для человеческого уха то такие колебания называют ультразвуковыми УЗК. Для получения УЗ-колебаний применяют пьезоэлектрические магнитострикционные электромагнитно-акустические ЭМА и другие преобразователи. | |||
| 6189. | Генераторные измерительные преобразователи | 172.86 KB | |
| Термоэлектрические преобразователи термопары. Основаны на термоэлектрическом эффекте возникающем в цепи термопары. Принцип действия термопары поясняется рис. Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары. | |||
| 6176. | Аналого-цифровые преобразователи | 503.8 KB | |
| Задача АЦП автоматически трансформировать бесконечное множество возможных значений входной аналоговой величины в конечное множество в ограниченный набор цифровых эквивалентов кодов. Разрядность АЦП его погрешности чувствительность быстродействие надежность в значительной мере определяют окончательную достоверность результатов измерения и регистрации возможности и характеристики цифровой измерительной аппаратуры в целом. В любом АЦП можно выделить цифровую и аналоговую части В цифровой части производится кодирование сравнение... | |||
| 6172. | Параметрические измерительные преобразователи | 137.84 KB | |
| Параметрические измерительные преобразователи Термометры сопротивления. Термометры сопротивления как и термопары предназначены для измерения температуры газообразных твердых и жидких тел а также температуры поверхности... | |||
| 2366. | ПАССИВНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ | 782.49 KB | |
| Первичные измерительные преобразователи тока. К измерительным органам ток обычно подводится от первичных измерительных преобразователей тока обеспечивающих изоляцию цепей тока измерительных органов от высокого напряжения и позволяющих получить стандартное значение вторичного тока независимо от номинального первичного тока. Наибольшее распространение получили измерительные трансформаторы тока ТА. В системах электроснабжения применяют также измерительные преобразователи тока названные магнитными трансформаторами тока МТТ. | |||
| 5415. | Микропроцессорный измеритель частоты | 580.22 KB | |
| В соответствии с техническим заданием устройство выполнено в виде стационарного прибора с возможностью его переноса что позволяют его габариты помещённого в корпус из ударопрочного полистирола. | |||
| 5137. | Изучение работы преобразователей частоты | 166.33 KB | |
| Изучение конструкции принципа действия и приобретение навыков работы на лабораторной установке на базе комплектного электропривода переменного тока типа... | |||
| 20648. | Расчет усилителя мощности низкой частоты | 753.19 KB | |
| Требования предъявляемые к проектируемому усилителю следующие: Вариант Выходная мощность Рн Диапазон частот fн-fв Напряжение питания Uп Входное напряжение Uвх Входное сопротив- ление Rвх Коэффициент частотных искажений Мн=Мв КПД не менее Вт Гц В мВ кОм - 4 12 20-2010 15 30 110 50 В пояснительной записке должны быть следующие разделы: - титульный лист; - техническое задание на курсовой проект; - содержание; - вводная часть; - обоснование выбора или разработка функциональной схемы; -... | |||
| 6968. | Импульсные токи низкой частоты и низкого напряжения | 12.89 KB | |
| В современной физиотерапии следует считать весьма перспективным дальнейшее совершенствование импульсных ритмических воздействий при лечении различных патологических состояний, так как импульсное воздействия в определенном заданном режиме соответствуют физиологическим ритмам функционирующих органов и систем. | |||
| 6965. | Переменные токи высокой частоты. (Дарсонвализация. Индуктотермия.) | 18.05 KB | |
| Переменные токи и поля ВЧ УВЧ и СВЧ. Эти токи могут быть подведены к тканям больного в виде: импульсов переменного тока высокого напряжения местная дарсонвализация электромагнитного поля ВЧ индуктотермия электрического поля УВЧ УВЧтерапия электромагнитные колебания СВЧ микроволновая терапия. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ УВЧ УВЧтерапия лечебный метод при котором действующим фактором является переменное электрическое поле УВЧ подведенное к тканям с помощью конденсаторных пластин. | |||
Преобразованием частоты называют перенос (транспонирование) спектра сигнала (обычно узкополосного) по оси частот «вверх» или «вниз» на некоторое расстояние w г, задаваемое гетеродином – маломощным генератором гармонического колебания . При этом сохраняются вид модуляции и структура спектра сигнала, изменяется только его положение на оси частот.
Преобразователь частоты состоит из смесителя частот и гетеродина (рис. 3.32).
Смеситель частот реализуется на параметрической или нелинейной основе, т.к. на его выходе необходимо получить колебание комбинационных частот входных сигналов второго порядка (суммарных или разностных). Среднюю частоту выходного сигнала или называют промежуточной. Собственно говоря, ничего нового в операции преобразования частоты для нас нет, с ней мы уже встречались при рассмотрении свойств преобразования Фурье (п. 9), свойств аналитического сигнала (п. 5) и параметрической реализации однополосного модулятора (рис. 3.20). Схема, приведённая на рис.3.20, может быть использована в качестве параметрического преобразователя частоты без каких либо изменений. Нелинейный преобразователь частоты может быть выполнен также по выше рассмотренной схеме амплитудного модулятора (рис. 3.16) при настройке нагрузочного колебательного LC контура на промежуточную частоту .
Преобразователи частоты входят в состав подавляющего большинства современных радиоприёмных устройств (супергетеродинов). Их применение позволяет основную додетекторную обработку сигналов в этих приёмниках – фильтрацию и усиление производить не на частоте сигнала (которая может быть слишком высокой и изменяться в широком диапазоне частот), а на фиксированной промежуточной. Это позволяет существенно улучшить чувствительность и избирательность приёмников, а также упростить их перестройку в широком диапазоне принимаемых частот.
Контрольные вопросы
1. Какой ФУ называют преобразователем частоты?
2. Приведите алгоритм и схему параметрического преобразователя частоты.
3. Объясните назначение каждого элемента схемы параметрического преобразователя частоты.
В радиотехнике часто требуется осуществить сдвиг спектра сигнала по оси частот на определенное постоянное значение при сохранении структуры сигнала. Такой сдвиг называется преобразованием час
Для выяснения сути процесса преобразования частоты вернемся к вопросу о воздействии на нелинейный элемент двух напряжений, кратко рассмотренному в § 8.4. Однако в данном случае только одно из колебаний, именно то, которое создается вспомогательным генератором (гетеродином), будем считать гармоническим. Под вторым же колебанием будем подразумевать сигнал, подлежащий преобразованию, который может представлять собой любой сложный, но узкополосный процесс.
Таким образом, на нелинейный элемент воздействуют два напряжения: от гетеродина
от источника сигнала
Амплитуда частота и начальная фаза гетеродинного колебания - постоянные величины. Амплитуда же и мгновенная частота сигнала могут быть модулированными, т. е. могут являться медленными функциями времени (узкополосный процесс). Начальная фаза сигнала - постоянная величина.
Задачей преобразования частоты является получение суммарной или разностной частоты . Как вытекает из выражения (8.30), для этого необходимо использовать квадратичную нелинейность,
В качестве нелинейного элемента возьмем, как и в § 8.9, диод, однако характеристику его для более полного выявления продуктов взаимодействия сигнала и гетеродинного колебания аппроксимируем полиномом четвертой степени (а не второй, как в § 8.4):
Слагаемые, содержащие различные степени только или только интереса не представляют. С точки зрения преобразования (сдвига) частоты основное значение имеют члены, представляющие собой произведения вида правой части выражения (8.72) обведены рамками.
Подставляя в эти произведения (8.70) и (8.71) и отбрасывая все составляющие, частоты которых не являются суммой соч или разностью после несложных тригонометрических выкладок приходим к следующему окончательному результату:
Из этого результата видно, что интересующие нас частоты возникают лишь благодаря четным степеням полинома, аппроксимирующего характеристику нелинейного элемента. Однако один лишь квадратичный член полинома (с коэффициентом ) образует составляющие, аплитуды которых пропорциональны только первой степени Более высокие четные степени (четвертая, шестая и т. д.) нарушают эту пропорциональность, так как амплитуды привносимых ими колебаний содержат также степени выше первой.
Отсюда видно, что амплитуды должны выбираться с таким расчетом, чтобы в разложении (8.72) преобладающее значение имели слагаемые не выше второй степени. Для этого требуется выполнение неравенств
Тогда выражение (8.73) переходит в следующее:
В радиоприемных и многих других устройствах, в которых задача преобразования частоты тесно связана с задачей усиления сигнала, обычно?,
Первое слагаемое в фигурных скобках с частотой (производная от аргумента косинуса) соответствует сдвигу спектра сигнала в область высоких частот, а второе с частотой - в область низких частот. Для выделения одной из этих частот - разностной или суммарной - нужно применять соответствующую нагрузку на выходе преобразователя. Пусть, например, частоты очень близки и требуется выделить низкую частоту, расположенную около нуля. Такая задача часто встречается в измерительной технике (метод «нулевых биений»). В этом случае нагрузка должна быть такой же, как при амплитудном детектировании, т. е. состоять из параллельного соединения R и С, обеспечивающего отфильтровывание (подавление) высоких частот и выделение разностной частоты Если разностная частота лежит в диапазоне высоких частот, то для ее выделения следует применить резонансную колебательную цепь (рис. 8.42). Если полезной, подлежащей выделению является суммарная частота то контур соответственно должен быть настроен на частоту
Обычно полоса пропускания колебательной цепи, являющейся нагрузкой преобразователя, рассчитана на ширину спектра модулированного колебания. При этом все составляющие тока с частотами, близкими к , проходят через контур равномерно и структура сигнала на выходе совпадает со структурой сигнала на входе.
Рис. 8.42. Схема замещения преобразователя частоты
Рис. 8.43. Спектр сигнала на входе и выходе преобразователя:
Единственное отличие заключается в том, что частота на выходе равна или смотря по тому какова резонансная частота нагрузочной цепи.
Итак, при преобразовании частоты законы изменения амплитуды частоты и фазы входного колебания переносятся на выходное колебание. В этом смысле рассматриваемое преобразование сигнала является линейным, а устройство - линейным преобразователем или «смесителем».
