Лекция 23 (лекции по УГФС), страница 2

образует сетку рабочих частот возбудителя. Непосредственно из этой сетки частот выделить колебание нужной частоты, например, f_K технически оказывается невозможным, так как интервал ΔF₀ между частотами очень мал (обычно единицы – десятки кГц), а относительная полоса расфильтровки ΔF₀/f не превышает 0,1%, то есть практически невозможно разделить два рядом стоящих колебания.

Для выделения колебания нужной частоты осуществляется смещение всей сетки частот в область более низких частот (порядка десятков – сотен кГц) с помощью первого смесителя (СМ 1) и вспомогательного АГ плавного диапазона (АГПД). Если частота f_АГПД выбрана выше рабочей частоты, то на выходе первого смесителя получается сетка частот

показанная на рис.23.8,а. На выходе смесителя ставится узкополосный не перестраиваемый фильтр с центральной частотой f₀ и полосой пропускания ΔF меньше шага сетки частот ΔF₀. Подобрав частоту f_АГПД таким образом, чтобы колебание разностной частоты, например, (f_АГПД – f_К) попало в полосу пропускания фильтра (рис.23.8,б), на выходе фильтра получим колебание только одной этой частоты (f_АГПД – f_К) ≈ f₀. Колебания других частот будут практически подавлены фильтром. После второго смесителя (СМ 2) с помощью перестраиваемого фильтра Ф выделяется колебание разностной частоты

f_АГПД – ( f_АГПД – f_К) = f_К = f .

Следовательно, частота колебаний f на выходе возбудителя точно равна желаемой частоте из сетки частот опорного генератора (выделен в левой части рис.23.7). К перестраиваемому фильтру Ф жёстких требований не предъявляется. Полоса пропускания его может быть порядка f₀, то есть составлять несколько десятков – сотен кГц, при этом относительная полоса пропускания фильтра Ф f₀/f оказывается порядка единиц процентов.

Таким образом, перестраивая АГПД можно получить на выходе возбудителя колебания любой частоты, вырабатываемой опорным генератором. При этом устройство, выделенное в правой части рис.23.7, по существу является перестраиваемым узкополосным фильтром.

Стабильность частоты автоколебаний на выходе рассматриваемого возбудителя полностью определяется стабильностью частоты опорного генератора и совершенно не зависит от стабильности частоты вспомогательного автогенератора АГПД, так как введенная в промежуточную частоту f₀ в первом смесителе нестабильность частоты этого АГ компенсируется (устраняется) во втором смесителе. Отсюда и название схемы компенсационная. Однако АГПД должен обладать сравнительно высокой стабильностью частоты для того, чтобы в процессе работы колебания разностной частоты, например, ( f_АГПД – f_К) не вышли из полосы пропускания узкополосного фильтра на частоту f₀. Очевидно, нестабильность частоты АГПД должна удовлетворять условию

(*)

Колебания побочных комбинационных частот на выходе компенсационной схемы возникают прежде всего во втором смесителе. Уменьшение уровня этих колебаний осуществляется рациональным выбором частот f_АГПД и f₀. Действительно, комбинационные частоты низких порядков имеют вид ( f_АГПД ± nf₀), причём, наиболее интенсивными будут колебания частоты ( f_АГПД + f₀), отстоящей от рабочей частоты ( f_АГПД – f₀) на 2f₀, а также частот f_АГПД и ( f_АГПД – 2f₀), отстоящих от рабочей частоты ( f_АГПД – f₀) на f₀. При относительно большой величине f₀ (порядка сотен кГц) эти колебания могут быть эффективно подавлены колебательными контурами последующих каскадов радиопередатчика, а колебание частоты f_АГПД, кроме того, может быть подавлено применением балансного смесителя (в качестве СМ 2).

Комбинационные частоты вида (mf_АГПД – nf₀) окажутся на некоторых частотах близкими к рабочей частоте. Ослабление этих комбинационных частот осуществляется только за счёт такого выбора частот f_АГПД и f₀, при котором близкими к рабочей частоте оказываются комбинационные частоты высоких порядков. Эти частоты удовлетворяют условию

то есть

откуда

Наименьшая величина (m + n) получается при m = 2 и составляет , при этом . Если f_АГПД >> f₀, то близкими к рабочей частоте будут только комбинационные частоты весьма высокого порядка, имеющие, как правило, малую амплитуду.⁸

Аналогично, комбинационные частоты вида (– mf_АГПД + nf₀) могут быть близкими к рабочей частоте, то есть

– mf_АГПД + nf₀ ≈ f_АГПД – f₀,

или

(m + 1) f_АГПД ≈ (n + 1) f₀,

откуда

Наименьшая величина (m + n) получается при m = 2 и составляет при этом Если f_АГПД >> f₀, то близкими к рабочей частоте будут комбинационные частоты вида (– mf_АГПД + nf₀) более высокого порядка, чем комбинационные частоты вида (mf_АГПД – nf₀).

При достаточно широком диапазоне частот опорного генератора побочное колебание может образоваться из-за «зеркального» канала в первом смесителе (СМ 1). Действительно, среди колебаний опорного генератора может быть колебание частоты f_ЗЕРК ≈ f_АГПД + f₀, которое после преобразования даёт частоту ( f_ЗЕРК – f_АГПД) ≈ f₀, то есть близкую к рабочей промежуточной частоте ( f_АГПД – f_К) ≈ f₀. Для ослабления колебания частоты

( f_ЗЕРК – f_АГПД)

перед первым смесителем (СМ 1) ставится перестраиваемый фильтр, пропускающий только колебания, близкие по частоте к выделяемой (например, f_K). Кроме того, ослабление колебания, проходящего по «зеркальному» каналу, осуществляется выбором промежуточной частоты f₀ и полосы пропускания ΔF узкополосного не перестраиваемого фильтра Ф (f₀) таким образом, чтобы ненужное колебание не попадало в полосу пропускания. Это обеспечивается, если отношение f₀/ΔF₀ не равно целому числу, а полоса пропускания фильтра ΔF < (1/2) ΔF₀. Очевидно, нестабильность частоты АГПД при этом должна быть, согласно (*),

При рациональном выборе параметров компенсационной схемы возбудителя можно более эффективно ослабить нежелательные комбинационные частоты на выходе и иметь большую стабильность частоты рабочих колебаний по сравнению с возбудителем по интерполяционной схеме.

Возбудители по компенсационной схеме относятся к прямым синтезаторам.

Возбудители с автоподстройкой частоты

В радиопередатчиках с частотной модуляцией и манипуляцией чаще всего применяют возбудители, построенные по принципу автоматической подстройки частоты (АПЧ), так как возбудители по интерполяционной и особенно по компенсационной схеме не очень удобны для осуществления частотной модуляции (ЧМ), потому что частота колебаний в таких схемах в основном определяется КАГ.

Возбудители с АПЧ широко применяются в диапазоне коротких волн, а также на СВЧ. Применение возбудителей с АПЧ в указанных диапазонах частот позволяет упростить построение радиопередатчика, так как возбудитель может быть сделан более мощным, соответственно число усилительно-умножительных каскадов радиопередатчика сокращается.

Недостаток схем возбудителей с АПЧ – меньшая стабильность и большее время установления частоты. Кроме того, возникают трудности в создании устройства, подстраивающего частоту АГ, если мощность последнего превышает (5…10)Вт.

Возбудитель с АПЧ состоит из опорного генератора, АГ плавного диапазона (АГПД) и системы АПЧ, называемой также кольцом автоподстройки, которая включает сравнивающее устройство, фильтр нижних частот (ФНЧ) и управляющий элемент (УЭ). Структурная схема возбудителя с АПЧ представлена на рис.23.9.

Опорный генератор обеспечивает создание колебаний необходимого диапазона частот f_ОГ с высокой стабильностью. Он может быть построен, например, по интерполяционной схеме. Колебания от опорного генератора используются для стабилизации частоты автоколебаний f АГПД, имеющих невысокую стабильность. В системе АПЧ колебания от обоих генераторов (опорного и АГПД) поступают на сравнивающее устройство, вырабатывающее на выходе напряжение, которое через ФНЧ и УЭ автоматически приводит частоту АГПД к частоте опорного генератора.

Схемы с АПЧ обеспечивают эффективное ослабление комбинационных частот, возникающих в опорном генераторе. Основную роль в подавлении комбинационных частот играет сравнительно узкополосный ФНЧ, стоящий на выходе сравнивающего устройства. Частота среза ФНЧ выбирается низкой, меньше нижней частоты модуляции (манипуляции) АГПД.

В зависимости от типа сравнивающего устройства различают две системы АПЧ: система частотной автоподстройки (ЧАП) и система фазовой автоподстройки (ФАП). При использовании ЧАП роль сравнивающего устройства (СУ) выполняет частотный детектор (ЧД), дающий на выходе напряжение, зависящее от разности частот АГПД и опорного генератора (ОГ). Система ЧАП чаще всего реализуется по схеме, представленной на рис.23.10. Сигналы генераторов поступают на смеситель (СМ), с выхода которого сигнал разностной частоты поступает на частотный детектор (ЧД).

В системе ФАП, представленной на рис.23.11, в качестве сравнивающего устройства (СУ) используется фазовый детектор (ФД), напряжение на выходе которого определяется разностью фаз сравниваемых колебаний.

В системе ЧАП действие дестабилизирующего фактора на частоту АГПД устраняется не полностью, а компенсируется лишь частично. Это связано с использованием в качестве сравнивающего устройства (СУ) частотного детектора (ЧД), напряжение на выходе которого отлично от нуля только при наличии остаточной расстройки, то есть когда

f – f_ОГ ≈ f_ЧД, (**)

где f_ЧД – средняя частота частотного детектора (ЧД).

Если будет выполняться точное равенство

f = f_ОГ + f_ЧД,