Устройства аналоговой обработки сигналов

ГЛАВА 5. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

5.1. Умножение частоты

Когда нужны сигналы со строго кратными частотами, осуществляют умножение частоты. Устройство умножения частоты представляет собой резонансный усилитель (рис. 5.1), на вход которого подается синусоидальное напряжение частоты w₁, а на выходе получается синусоидальное напряжение n-кратной частоты nw₁. Входное напряжение u_вх = U_вхsinw₁t, амплитуда которого превышает уровень открывания транзистора VT (U_вх > 1 B) создает импульсы коллекторного тока i_k. Эти импульсы возбуждают и поддерживают незатухающие свободные колебания в резонансном контуре (LC), настроенном на резонансную частоту nw₁. При достаточно высокой добротности резонансного контура выходное напряжение имеет хорошую синусоидальную форму:

u_вых = U_выхsin(nw₁).                                                                       (5.1)

Таким методом обычно получают коэффициент умножения частоты n £ 4. Умножение частоты является примером нелинейного преобразования сигналов.

5.2. Параметрические преобразования сигналов

Параметрическими называют линейные уравнения, в которых коэффициенты могут изменяться во времени независимо от переменной.

Аналогично можно определить параметрические преобразователи сигналов как линейные цепи с изменяющимися коэффициентами передачи. Если построить линейный усилитель напряжения u_c с возможностью изменять его коэффициент усиления другим управляющим напряжением u_y, то это и будет параметрический преобразователь сигнала u_c.

Рассмотрим дифференциальный усилительный каскад (рис. 5.2, а). По отношению к напряжению u_c это неинвертирующий усилитель; если амплитуда напряжения u_c мала (для оценки малости ее обычно сравнивают с температурным потенциалом: U_c < j_т), то u_c усиливается линейно с коэффициентом усиления (см. 3.37)

u_вых = .                                                                               (5.2)

Крутизна передаточной вольт-амперной характеристики дифференциальной пары транзисторов VT1 и VT2 равна

.          (5.3)

Зависимость S(u_y) – линейна, если коллекторный ток не превышает 1 мА.

Естественно, что для управления крутизной передаточной вольт-амперной характеристики амплитуда напряжения u_y должна быть большой (U_y >> j_т).

Возьмем наиболее простой случай:

u_y = U_ycosw_yt,   u_c = U_ccos(w_ct + j).                                            (5.4)

Тогда согласно (5.3) и (5.4)

.                      (5.5)

Выходное напряжение согласно(5.2), (5.4) и (5.5)

  .                                                (5.6)

Физическая картина преобразования (5.6)зависит от соотношения частот w_с и w_у и частотной характеристики сопротивления коллекторной нагрузки Z транзистора VT2.

Амплитудная модуляция (АМ). Если u_y – модулирующее низкочастотное напряжение

,                                                                            (5.7)

а u_c – напряжение несущей частоты с постоянной амплитудой U_H:

, то W << w_H. Импеданс Z₁ (рис. 5.2, в) имеет частотную характеристику с максимумом на несущей частоте w_Hи полосой пропускания, охватывающей нижнюю (w_H - W) и верхнюю (w_H + W) боковые частоты (рис. 5.2, д). В этом случае выходное напряжение содержит все спектральные составляющие, имеющиеся в выражении (5.6) и может быть переписано в виде

,                           (5.9)

где ;  Z, S₀, U_H – постоянные величины. Величина m зависит от амплитуды модулирующего напряжения (5.5) и называется коэффициентом амплитудной модуляции. Согласно (5.9) огибающая амплитуды напряжения несущей частоты имеет форму модулирующего напряжения (рис. 5.3, в). Такой вид сигнала называют амплитудно-модулированным радиосигналом. Благодаря высокой частоте несущей он легко излучается в виде радиоволны.

Особый вид амплитудной модуляции получается, когда постоянная составляющая крутизны передаточной вольт-амперной характеристики S₀ = 0. Если при этом S можно изменять симметрично в положительном и отрицательном направлениях (рис. 5.3, г), то согласно (5.6) модулированный сигнал (рис. 5.3, д)

                                      (5.10)

содержит только нижнюю и верхнюю боковые частоты, несущая же частота w_Нотсутствует. Такой вид модуляции называется балансной модуляцией (БМ). Изменение знака S имеет физический смысл изменения направления тока в нагрузочном сопротивлении Z, что соответствует изменению фазы несущей модулированного сигнала на p  радиан при изменении знака напряжения (рис. 5.3, г, д).

В радиовещании и беспроводной связи балансная модуляция не применяется ввиду невозможности демодуляции без наличия несущей частоты. Однако БМ широко применяется в технике и лабораторной практике. Осуществить БМ проще всего с помощью четырехквандрантного перемножителя, например К525ПС3.

БМ-сигнал нередко можно получить непосредственно на выходе измерительного преобразователя. На рис. 5.4 приведена мостовая схема тензометрического преобразователя. В случае питания моста постоянным напряжением (рис. 5.4, б) выходное напряжение u_вых (рис. 5.4,е) является аналогом приложенной к преобразователю силы F (рис. 5.4,г). Если мост питать синусоидальным напряжением (рис. 5.4, в, д) – выходное напряжение является БМ-сигналом (рис. 5.4, ж); модуль амплитуды напряжения несет информацию об абсолютном значении действующей силы F, а сдвиг фазы БМ-сигнала относительно фазы напряжения питания моста – о направлении силы F.

Преобразование частоты. В этом случае генератор напряжения, управляющего коэффициентом усиления усилителя (рис. 5.2.,  а), называют гетеродином. Нагрузочный импеданс Z₂ (рис. 5.2, в) имеет частотную характеристику с центральной частотой  и полосой пропускания w_П ±W , где W - частота высшей гармоники спектра модулирующего информационного сигнала (рис. 5.2, е). Из выражения (5.6) выделяется напряжение промежуточной частоты

                                 (5.11)

Остальные составляющие выражения(5.6) в выходном напряжении отсутствуют (Z = 0). Из (5.11) видно, что при преобразовании частоты амплитуда сигнала передается линейно, если Z и S_m неизменны.

Вследствие четности косинуса (5.11), дает одинаковый результат для
w_П = w_Н - w_Г и w_П = w_Г­ - w_НЗ. Поэтому в тракт (усилитель) промежуточной частоты одновременно поступают сигналы основного (w_Н) и зеркального (w_НЗ) каналов (рис. 5.2, е). На практике сигнал основного канала предварительно выделяется перестраиваемым полосовым фильтром невысокой избирательности (примерная частотная характеристика показана пунктиром на рис. 5.2, е), а сигнал зеркального канала ослабляется тем же фильтром.