Экспериментальное исследование основных свойств преобразователей частоты на полевых транзисторах и интегральных микросхемах и сопоставление полученных результатов с теоретическими предпосылками

3913

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ                

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИЕ 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

Методические указания к лабораторной работе

Рязань 2007

Цель работы: экспериментальное исследование основных свойств преобразователей частоты на полевых транзисторах и интегральных микросхемах и сопоставление полученных результатов с теоретическими предпосылками.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1. Для подготовки к выполнению работы студенту необходимо:

–  изучить раздел теоретического курса «Преобразователи частоты»;

–  изучить настоящее описание;

–  ознакомиться с методикой проведения измерений;

–  ознакомиться с правилами эксплуатации используемой измерительной аппаратуры.

2.  Для допуска к выполнению работы студент обязан успешно пройти предварительный опрос. При этом он должен показать знание цели работы, методики необходимых измерений иих предполагаемых результатов.

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА И ЗАЩИТА РАБОТЫ

1.  Каждый студент составляет индивидуальный отчет о работе.

2.  В отчете должны быть приведены:

–  цель работы;

–  электрические принципиальные схемы исследуемых преобразователей, выполненные в соответствии с требованиями ЕСКД;

–  результаты измерений в виде таблиц, графиков или отдельных значений;

–  выводы по работе, касающиеся соответствия результатов измерений теоретическим данным и возможных причин при их несоответствии.

3.  При защите отчета о работе студент обязан показать знание раздела теоретического курса и умение объяснить методику проведения измерений и их результаты.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ МАКЕТОВ

Все работы выполняются фронтально на специальных лабораторных макетах. Каждый макет состоит из трех частей: в верхней части макета собрана классическая схема преобразователя частоты на полевом однозатворном или двухзатворном транзисторе; в нижней части макета – одна из сложных схем преобразователей частоты на интегральной микросхеме; между ними расположен гетеродин.

Варианты схем исследуемых преобразователей частоты и эквивалентноесопротивлениеконтура в каждом макете указаны в таблице.

1.  Краткие теоретические сведения

В супергетеродинном приемнике основное усиление и избирательность производятся на фиксированной (промежуточной) частоте f_пр, что позволяет в диапазонных приемниках обеспечить постоянство чувствительности, избирательности и других характеристик в пределах широкого диапазона принимаемых частот.

Преобразование частоты сигнала в промежуточную осуществляется в преобразователе частоты, характеристики которого зависят от используемого активного элемента, режима его работы по постоянному току и амплитуды гетеродинного напряжения.

Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина, напряжение которого периодически изменяет параметры смесителя.

Нагрузкой преобразователя частоты служит избирательный элемент (контур или фильтр), который настраивается на частоту полезного эффекта преобразования (промежуточную частоту)   f_пр = f_г ± f_c  – простое преобразование или  f_пр = n f_г ± f_c – при преобразовании  на гармонике гетеродина.

В качестве активного элемента смесителя могут быть использованы электронные лампы, транзисторы или диоды.

Преобразование частоты – это процесс перемножения двух напряжений – принимаемого сигнала и гетеродина. Такое перемножение можно осуществить с помощью преобразователей частоты на нелинейном (аддитивные) или параметрическом элементе (мультипликативные). 

При преобразовании частоты на нелинейном элементе принципиально необходимо иметь нелинейный элемент. Если вольт-амперная характеристика этого элемента представлена, например, полиномом i = I₀ + Au + Bu² + Cu³ + …,    на который подаются напряжения сигнала и гетеродина

u = U_mc cos(ω_ct +ϕ_c)+ U_mг cosω_гt , то в составе выходного тока нелинейного элемента образуются комби-

национные частоты вида                           ω_к = |± nω_с ± nω_г| .                (1)

При преобразовании частоты на параметрическом элементе сигнал подается на линейный элемент с характеристикой вида

i = +I₀ AU_c , параметр А которого изменяется под действием гетеродинного напряжения

                                           A A A cosnг ωгt .

При этом в составе выходного тока нелинейного элемента появляются комбинационные частоты вида       ω_к = |± ω_с ± nω_г| .              (2)

Сравнивая между собой (1) и (2), видим, что число комбинационных частот меньше при преобразовании частоты на параметрическом элементе, чем при преобразовании на нелинейном элементе.

1.1.  Преобразователи частоты на нелинейном элементе

В таких преобразователях частоты к нелинейному элементу подводятся напряжения с частотой сигнала f_с и гетеродина f_г, а в избирательной нагрузке выделяется напряжение промежуточной частоты f_пр .

Важнейшим показателем преобразователя частоты является его коэффициент передачи (коэффициент преобразования), величина которого зависит от крутизны активного элемента в режиме преобразования S_пр и сопротивления нагрузки R_нагр:     K_пр = S_пр R_нагр.

Чтотакое крутизнапреобразования?

В теории преобразования частоты показано, что если к нелинейному элементу приложены напряжение сигнала U_с = U_mc cos(ω_ct + φ_c), напряжение гетеродина U_г = U_mгcosω_гt  и U_mc << U_mг, то крутизна нелинейного элемента практически