Меню

Модулятор тока в напряжения



Модулятор. Демодулятор

Лекция 4. Усилители

Управление исполнительным органом в САР может осуществляться с помо­щью различных усилительных элементов. В качестве усилителей могут применяться электронные, магнитные, пневматические, гидравлические усилители и их сочетание. Выбор типа усилителя определяется типом измерительного преобразователя, типом и мощностью исполнительного органа.

Если измерительный преобразователь работает на постоянном токе, его выходная величина — это напряжение постоянного тока, исполнительный элемент двухфазный двигатель, то в структуре усилительного элемента обязательно предусмотрен модулятор, преобразующий напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока.

Применение модулятора необходимо для согласования входа системы (измерительный преобразователь постоянного тока) с ее выходом (двигатель переменного тока). Модулятор включается в систему до усилителя напряжения.

В усилителях, предназначенных для управления двигателем постоянного или переменного тока, конечной ступенью является усилитель мощности. Если маломощная система, то применяется усилитель мощности электронный, для получения большой мощности используются магнитные усилители, электромагнитные усилители.

Для согласования усилителя напряжения и усилителя мощности необходим демодулятор, который преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, необходимое для питания обмоток управления, допустим, магнитного усилителя.

То есть усилительное устройство, предназначенное для управления исполнительным органом, не только усиливает сигнал, но и преобразует его. В общем случае, в усилитель входят усилитель напряжения, усилитель мощности, модулятор, демодулятор.

Модулятор. Демодулятор

Модулятор — это устройство, преобразующее сигнал постоянного тока в напряжение переменного тока с амплитудой, пропорциональной величине входного напряжения, и фазой, определяемой полярностью входного напряжения. Модуляторы имеют различные схемы в зависимости от принципа действия и типа применяемых элементов.

По принципу действия различают коммутационные и балансные модуляторы. В коммутационных модуляторах модуляция осуществляется коммутатором вибрационного типа.

В балансных модуляторах используется принцип нарушения баланса схемы при подаче на вход постоянного напряжения.

Но применяемым элементам различают модуляторы электромеханические (использую реле), электронные (на полупроводниках), магнитные (на основе магнитных усилителей).

Модулятор обычно характеризуют зависимостью напряжения на выходе от напряжения постоянного тока на входе, величиной постоянной времени, наличием высших гармоник в выходном напряжении. Выходной сигнал модулятора равен:

где f(t) — сигнал информации, ωо частота источника питания (несущая частота).

Из (4.1) следует, что модулятор умножает сигнал f(t) на гармоническую функцию (sin ωоt). Но это в идеальном случае. Реально же сигнал f(t) умножается на некоторую периодическую функцию m(t), период которой определяется несущей частотой, форма волны отличается от гармонической. Реальный выходной сигнал равен:

Периодическую функцию m(t) можно представить рядом Фурье:

Тогда выходной сигнал равен:

Из (4.4) следует, что на входе модулятора присутствуют составляющие высоких и низких частот; составляющие высших гармоник, составляющие частоты сигнала информации. Для выделения сигнала (4.1) используют полосовые фильтры, полоса пропускания которых зависит от максимально возможной частоты сигнала f(t).

Демодулятор выполняет функции, обратные модулятору, то есть преобразует переменный сигнал в постоянный, причем напряжение постоянного тока пропорционально по величине входному сигналу, полярность определяется фазой входного напряжения переменного тока.

Демодулировать cигнал можно, умножив на sint, то есть если на вход демо­дулятора поступает сигнал

то на выходе демодулятора имеем

Восстановленный сигнал содержит информацию и гармоники несущей часто­ты. Для выделения сигнала информации и подавления гармоник на выходе демодулятора ставится фильтр низких частот.

Магнитные усилители

Магнитный усилитель — устройство, в котором с помощью маломощного сигнала постоянного тока осуществляется изменение индуктивного сопротивления в мощной выходной цепи переменного тока, и, следовательно, значительное усиление по току и мощности. Магнитные усилители широко применяются в системах автоматического контроля, измерительной аппаратуре, системах автоматической стабилизации. Они надежны в эксплуатации, не чувствительны к вибрациям, допускают большие перегрузки и т.д.

Основными характеристиками магнитного усилителя являются зависимость амплитуды выходного тока (тока нагрузки) от величины подмагничивающего (управляющего) тока; коэффициент усиления по току, коэффициент усиления по мощности.

Зависимость тока нагрузки от тока в подмагничивающей обмотке называется нагрузочной характеристикой магнитного усилителя (рис. 4.1). При отсутствии тока в обмотке управления ток нагрузки минимален и называется током холостого хода.

Коэффициент усиления по току — это отношение приращения тока нагрузки к приращению тока в управляющей обмотке:

Коэффициент усиления по мощности — это связь между усилением мощности нагрузки и мощности в обмотках управления:

где Rн и Ry — сопротивления нагрузки и обмотки управления.

Рис. 4.1. Нагрузочная характеристика магнитного усилителя

Для увеличения коэффициента усиления используют магнитные материалы, у которых магнитная проницаемость резко меняется при изменении подмагничиващего ноля, повышают частоту источника питания; используют обратную положи­тельную связь.

На рис. 4.2 приведены нагрузочные характеристики магнитного усилителя с обратной связью для различных значений коэффициента усиления Кос. При возрастании Кос возрастает крутизна ветви с положительной обратной связью, следовательно, увеличивается коэффициент усиления К. При увеличении Кос увеличивается ток холостого хода.

Рис. 4.2. Нагрузочные характеристики магнитного усилителя

с обратной связью

На практике используются дифференциальные, мостовые, трансформаторные магнитные усилители.

Источник

Преобразователь тока в напряжение на ОУ

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

В радиотехнике часто возникает необходимость в преобразователях. Многие источники сигнала имеют токовый выход. К таким источникам относятся ЦАПы, фоторезисторы, фототранзисторы и др… Для последующих манипуляций с сигналом необходимо преобразовывать его в напряжение. Рассмотрим проверенный временем преобразователь тока в напряжение на ОУ с разными источниками сигнала.

  1. Преобразователь тока в напряжение
  2. Схема преобразователя ток-напряжение на ОУ
  3. Преобразователь для заземленного источника
  4. Преобразователь тока в напряжение для незаземленного источника
  5. Заключение

Преобразователь тока в напряжение

Преобразователь тока в напряжение (или сокращенно I-U преобразователь) — это схемное решение, позволяющее преобразовывать выходной токовый сигнал источника в напряжение.

Так же его называют усилитель — преобразователь сопротивления. Такое название в технической литературе было дано за то, что простейший преобразователь тока в напряжение — это резистор.

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

Вся магия преобразования происходит по закону дедушки Ома. Ток iвх протекая через резистор R вызывает на нем падение напряжение Uвых. Величина этого напряжения прямо пропорциональна произведению сопротивления резистора и входного тока. Пожалуй формулой все звучит даже проще:

Основной недостаток использования одного резистора состоит в его ненулевом сопротивлении. Это обстоятельство становится серьезной проблемой, когда источник не в состоянии обеспечить необходимый уровень напряжения на резисторе. Результатом буду просадки напряжения на выходе.

Еще больше сопротивление сказывается на работе преобразователя, если у источника тока малый выходной рабочий диапазон. К таким источникам относится, например, фотодиод. Его выходной ток составляет единицы мкА.

В случае же ЦАПа, особенно высококачественного, использование резистора для преобразования предпочтительнее. Почему и зачем читайте в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом. Это обусловлено некоторыми фазовыми проблемами схем, которые будут рассмотрены. К счастью для нас, источникам вроде фотодиода фазовые искажения безразличны.

Схема преобразователя ток-напряжение на ОУ

Схема преобразователя тока в напряжение, совсем не нова, но проверенна и безотказна. В общем виде она выглядит следующим образом:

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

Ток сигнала iвх втекает в инвертирующий вход. Поскольку входной ток идеального ОУ равен нулю, то весь входящий ток поступает на резистор R цепи обратной связи. Этот ток создает на резисторе падение напряжения по закону все того же Ома.

Как результат ОУ будет стараться поддерживать на сопротивлении нагрузки RН напряжение, пропорциональное величине входного тока. Коэффициент усиления схемы в, таком случае, имеет размерность сопротивления. Что еще раз объясняет советское название усилитель-преобразователь сопротивления:

Преобразователь для заземленного источника

Рассмотрим несколько схем преобразователя тока в напряжение на ОУ, подходящие для любого случая. Начнем со схемы преобразователя для фотодиода.

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

Направление протекания тока показано стрелкой, и для данного случая величина выходного напряжения составит:

Знак минус появляется из-за выбранного направления протекания тока фотодиода. (Указано стрелкой на схеме выше)

На этой схеме так же показан дополнительный резистор в 1 МОм, с неинвертирующего(+) входа ОУ на землю. Схема останется работоспособной и без этого резистора, а вход операционного усилителя в таком случае заземляется напрямую.

Читайте также:  Двухконтурная система управления электропривода постоянного тока

Однако имея резистор в 1 МОм в цепи обратной связи, на каждый 1 мкА входного тока на выходе будет создан 1 Вольт напряжения. При таком коэффициенте усиления (миллион раз) резистор желателен из-за неидеальности операционных усилителей.

Преобразователь тока в напряжение используют и с источниками сигнала, подключенными к шине питания. Такая схема часто применяется с элементами вроде фототранзисторов. Фототранзистор потребляет (пропускает) ток, под действием внешнего источника света, положительной шины питания.

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

Преобразователь тока в напряжение для незаземленного источника

Такой преобразователь отличается наличием второго токочувствительного резистора в цепи прохождения сигнального тока, который заземлен. Схема симметричного преобразователя ток-напряжение это подобие дифференциального усилителя.

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

В следствии падения напряжения так же и на заземленном резисторе, потенциал входа ОУ падает ниже потенциала земли, а на выходе устанавливается напряжение:

Симметричный преобразователь тока в напряжение — пример операционной схемы, которой необходим незаземленный (плавающий) источник сигнала. Таким источником может послужить все тот же фотодиод. При этом фотодиод может быть вынесен за пределы платы. Для еще большей минимизации помех, желательно использовать экранированный кабель, экран которого должен быть соединен с землей.

Заключение

Рассмотренные схемы используются повсеместно. Они прекрасно подходят для токовых источников с плавным изменением сигнала. Для ЦАПов же предпочтительнее использование резистора. О том, чем это лучше, и как правильно согласовать резистор со следующим каскадом читайте в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом .

Материал подготовлен исключительно для сайта AudioGeek.ru

AliExpress RU&CIS

Привет! В этом окошке авторы блогов любят мериться крутостью биографий. Мне же будет гораздо приятнее услышать критику статей и блога в комментариях. Обычный человек, который любит музыку, копание в железе, электронике и софте, особенно когда эти вещи пересекаются и составляют целое, отсюда и название — АудиоГик. Материалы этого сайта — личный опыт, который, надеюсь, пригодится и Вам. Приятно, что прочитали 🙂

Здравствуйте, Андрей!
Спасибо за полезную информацию!
Хочу воспользоваться Вашим советом, однако меня гложет одно сомнение. Насколько правильно использовать преобразователь ток-напряжения (ТИ) для трансформатора тока (ТТ)? ТТ требуется обязательно сопротивление нагрузки. В теории ТИ обладает нулевым входным сопротивлением. Или я заблуждаюсь? Не корите строго в схемотехнике я не силен. 🙂

Здравствуйте Владимир!
Честно говоря с трансформаторами тока не работал, но слегка по-гуглил.
Во первых — у Вас переменный или постоянный ток?
Во вторых да, преобразователь ток-напряжение в идеале имеет нулевое входное сопротивление. Для преобразования можете воспользоваться резистором, а уже с него снимать напряжение тем же неинвертирующим усилителем на ОУ, такое было показано в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом.
Если у вас переменный ток, то для измерений требуется его сначала выпрямить, для этого можно воспользоваться активным выпрямителем.

Андрей, спасибо за ответ!
Я перечитал, и взял на вооружение все Ваши подходящие мне статьи.
Кроме того просмотрел, И Хоровица с нашим дорогим Хиллом :), и Титце с Шенком тоже, и Достала, который Иржи, а также Пейна. Складывается впечатление, что противоречий нет. Но и уверенности тоже нет. Сказывается отсутствие знаний в теории цепей и практической схемотехнике. Видно надо макетировать и пробовать. Как говорят теоретики — практика критерий истины. 🙂
Ток конечно же переменный.
Изначально я так и хотел, нагрузить вторичку сопротивлением (ТТ требует обязательную нагрузку), но потом наткнулся на статью, где утверждалось, что все современные измерители с ТТ используют преобразователи ток-напряжение, ну и загорелся!
Еще раз спасибо!

Андрей! Доброе время суток! Хочу сказать пару слов по теме — схема с n-p-n фототранзистором (Ik=1…2.ma, Vcc= +/- 12V) вполне работоспособна. Эксперименты по её применению в ИК-датчике показали следующее:
частотный диапазон 0-3,0 кГц ( выше просто не проверял, т.к. не надо)
неравномерность АЧХ в полосе 20 Гц-3,0 кГц — менее 0,5 дБ
коэфф. нелинейных искажений — менее 3% (может и меньше, надо уточнить с генератором тестового сигнала, а я проверял на вибростенде, у которого своих искажений хватает)
амплитуда — 3,0 В и более.
ИМС ОУ проверялись разные — от LM358 до малошумящих
Тема интересная.
Удачи

Здравствуйте! спасибо за столь подробный комментарий!
Рад что у Вас получились интересные результаты. Вообще схемку я позаимствовал У Хоровиц и Хилла. Сам когда-то ее собирал) Правда так глубоко не копал ее характеристики, ибо не требовалось)
Извиняюсь, что так долго отвечал, готовился к защите магистерской диссертации)

Источник

Модулятор тока в напряжения

Преобразователи электрических сигналов — устройства, осуществляющие преобразование входного сигнала в эквивалентный ему электрический сигнал другого вида или в соответствующее механическое воздействие.

В соответствии с классификацией, данной в работе [12], электродвигатели, осуществляющие преобразование электрического сигнала в механическое регулирующее воздействие, приложенное непосредственно к объекту регулирования, относятся к классу исполнительных устройств. В связи с этим в § 5 настоящей главы рассматриваются лишь такие преобразователи электрических сигналов в механические, которые используются в электрогидравлических и электропневматических усилителях в качестве управляющих элементов. Отдельные устройства одной и той же системы регулирования могут использовать электрические сигналы различного характера (например, постоянное напряжение, формируемое измерительным элементом, и амплитудно-модулированное напряжение, поступающее на обмотку управления двухфазного асинхронного электродвигателя). Поэтому также рассмотрим общие проблемы, связанные с прохождением управляющего сигнала через преобразующий элемент. Применяемый для этой цели в § 1 частотный подход полностью согласуется с частотным методом исследования САР.

1. МОДУЛЯТОРЫ

Модуляторы являются нелинейными многополюсниками и предназначены для преобразования управляющих медленно меняющихся сигналов постоянного тока, снимаемых обычно с различного рода датчиков или приемников, в сигналы переменного тока пропорциональной величины с фазой, изменяющейся на 180° при перемене полярности управляющего сигнала.

В системах автоматического регулирования применяются модуляторы различных типов. Наибольшее распространение получили двухполупериодные модуляторы, в которых используются полупроводниковые диоды, электронные лампы, полупроводниковые триоды-транзисторы, и реже — варикапы, фотодиоды или фототриоды.

Однополупериодный модулятор на полупроводниковых диодах. Принцип работы однополупериодного модулятора на диодах рассмотрим на примере схемы, приведенной на рис. XIV.1, а.

Рис. XIV. 1. Однополупериодный модулятор: а — схема; б — кривые изменения токов и напряжений

В первом полупериоде опорного напряжения при входном сигнале равном нулю, диоды и открыты и через сопротивление нагрузки протекают одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи следовательно, выходное напряжение

Если входное напряжение то при полярности напряжений, показанной на схеме, ток становится больше тока и выходное напряжение модулятора .

Рис. XIV.2. Эквивалентная схема модулятора

Полярность выходного напряжения определяется направлением большего по величине тока, т. е. полярностью входного напряжения. Кривые изменения токов и напряжения на выходе модулятора во времени показаны на рис. XIV.1, б.

Во втором полупериоде опорного напряжения диоды запираются, и напряжение на выходе модулятора будет малой величины, определяемой разностью обратных токов диодов.

Рассмотрим более подробно эквивалентную схему модулятора, приведенную на рис. XIV.2. В данном случае

Для простоты предположим, что характеристики диодов одинаковы и достаточно точно аппроксимируются выражением:

Активное сопротивление каждой половины вторичной обмотки вместе с внутренним сопротивлением диода обозначим выходное сопротивление источника сигнала добавим к сопротивлению нагрузки и обозначим — При этих условиях и чисто активной нагрузке справедливы уравнения:

Рис. XIV.3. Графики напряжений, действующих на диоды

Через диоды будет протекать ток только тогда, когда Левую часть первых двух уравнений системы (XIV.1) можно представить графически (рис. XIV.3). Пока оба диода не проводят ток

Читайте также:  Аввг максимально допустимый ток

При происходит отпирание диода , а диод остается закрытым, так как (см. рис. XIV.1).

Для этих моментов времени вместо двух уравнений (XIV.1) справедливо лишь первое уравнение, которое можно записать

то начальный угол отсечки определяется из соотношения

Момент отпирания диода определится из условия Подставляя значение тока во второе уравнение системы (XIV.1), получим

откуда или приближенно

Из изложенного выше следует, то проводит только диод При проводят оба диода а при снова проводит ток только диод и иеых

Для случая, когда открыты оба диода, решая систему уравнений (XIV.1), получим

Форма выходного напряжения модулятора показана на рис. XIV.4. Если принять то форма импульса на выходе модулятора будет почти прямоугольной, а выходное напряжение можно представить в виде ряда

Рис. XIV.4. Форма импульса на выходе модулятора

Если выделить, например, с помощью фильтра или резонансного усилителя одну из гармоник (обычно первую, так как она имеет наибольшую амплитуду), то, как это следует из выражения (XIV.3), ее амплитуда оказывается пропорциональной входному напряжению

Так как выходное напряжение можно представить следующим образом:

При изменении полярности напряжения фаза первой гармоники изменится на 180°, так как

Уравнение (XIV.4) является приближенным. Точное выражение для амплитуды первой гармоники, полученное в результате разложения импульса выходного напряжения, показанного на рис. XIV.7, в ряд Фурье, имеет вид

где — амплитудное значение напряжения несущей частоты;

R — сопротивление нагрузки;

внутреннее сопротивление диода;

— начальный угол отсечки;

— конечный угол отсечки.

При малых углах отсечки, т. е. когда выражение (XIV.5) полностью совпадает с выражением (XIV.4).

Коэффициент преобразования такого модулятора определится по формуле

Семейство кривых (рис. XIV.5), рассчитанных по формуле (XIV.6), позволяет определить коэффициент передачи модулятора при любом отношении и различных значениях отношения

Рис. XIV.5. Зависимость коэффициента передачи модулятора от уровня входного сигнала при различных отношениях сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению диода

Рис. XIV.6. Зависимость коэффициента передачи от уровня входного сигнала

Следует отметить, что отношение зависит практически только от отношения а коэффициент передачи модулятора только от отношения

Семейство характеристик (рис. XIV.5) использовано для построения зависимости показанной на рис. XIV.6. По этой зависимости можно определить амплитудное значение опорного (несущего) напряжения по известному максимальному значению входного напряжения при заданном завале амплитудной характеристики. Например, нам необходим модулятор, у которого завал амплитудной характеристики при максимальном входном напряжении не должен превышать 3%. На оси ординат отмечаем точку и проводим прямую, параллельную оси абсцисс. Проекция точки пересечения на ось абсцисс определяет необходимое отношение Для нашего примера Если то необходимо взять .

При можно считать, что

Однополупериодный модулятор является наиболее простым. Основные недостатки модулятора следующие: малый коэффициент преобразования, значительные амплитуды высших гармоник и переменный характер нагрузки на генератор опорного (несущего) напряжения.

Источник

Амплитудные модуляторы

Модуляторы

Умножители частоты.

Умножители частоты (УЧ) необходимы при разработке стабильных источников гармонических колебаний повышенной частоты. УЧ — это устройство, повышающее частоту входного сигнала в n раз, где n – целое число – коэффициент умножения.

Наличие в спектре коллекторного тока усилителя гармонических составляющих с частотами, кратными входной частоте, позволяет использовать нелинейный резонансный усилитель в качествеУЧ. Для этого достаточно в схеме резонансного усилителя (рис. 4.5,а) настроить колебательный контур на требуемую частоту. Известно, что при больших значениях n коэффициенты гармоник γn довольно малы. Поэтому выбирают такой угол отсечки θ, при котором соответствующий коэффициент гармоник максимален. Практически доказано, что оптимальный угол θ, дающий наибольшую амплитуду выходного напряжения в УЧ, примерно равен 180˚/n.

Принципы действия УЧ и нелинейного резонансного усилителя мощности в основном одинаковы и различия заключаются лишь в выборе угла отсечки тока. По аналогии с выражением (4.12) определим амплитуду выходного напряжения УЧ при кусочно-линейной аппроксимации характеристики транзистора

где Rn– резонансное сопротивление контура на n-й гармонике;

γn— функция Берга для n— й гармоники.

Модуляция несущего колебания по закону передаваемого сообщения и осуществляется в нелинейных устройствах, называемых модуляторами. В общем случае типы модуляторов можно разделить на амплитудные, частотные, фазовые, импульсные и цифровые.

Формальный анализ аналитического выражения для тонального АМ сигнала UAM (t)=Uн(1+МcosΩt)cosωt показывает, что при его формировании необходимо перемножить модулирующий сигнал e(t)=EcosΩt и несущее колебание uн(t)=Uнcosωt. Если же говорить более строго, то требуется умножить сумму из двух слагаемых 1+McosΩt на несущее колебание. Однако это не имеет существенного значения для изучения процесса модуляции.

При осуществлении амплитудной модуляции сигналов применяют косвенные методы перемножения с помощью нелинейных или параметрических цепей.

Амплитудные модуляторы на основе резонансных усилителей мощности.При построении АМ модуляторов чаще всего используют эффект преобразования суммы модулирующего и несущего колебаний, подаваемых на безынерционный НЭ.

Простейшую схему амплитудного модулятора можно реализовать на основе нелинейного резонансного усилителя (рис. 4.6,а).

Рис.4.6. Амплитудный модулятор:

а) — структурная схема; б) -диаграмма токов и напряжений

На входе транзистора VT включены последовательно источники постоянного напряжения смещения U, модулирующего сигнала e(t) и генератор несущего колебания uн(t), а колебательный контур настроен на несущую частоту ω.

Рассмотрим принцип получения тонального АМ — сигнала с помощью так называемого базового модулятора, к входу которого приложено суммарное напряжения вида:

Принцип действия модулятора поясним с помощью временных диаграмм токов и напряжений, показанных на рис. 4.8.б.

Положим, что сквозная характеристика транзистора (зависимость тока коллектора Iк от напряжения база — эмиттер Uбэ ) аппроксимирована двумя отрезками прямых линий. Вследствие перемещения рабочей точки относительно напряжения смещения U по закону модулирующего сигнала e(t) происходит изменение угла отсечки тока в кривой несущего колебания.

В результате импульсы коллекторного тока iк транзистора, отражающие изменение амплитуды несущего колебания, оказывается модулированными по амплитуде. В спектре импульсов коллекторного тока транзистора содержится множество гармонических составляющих с частотами ω и Ω, а также с кратными и комбинационными частотами(суммарными и разностными составляющими гармоник ω и Ω). Контур имеет полосу пропускания ΔωАМ =2Ω и выделяет из спектра импульсов коллекторного тока только гармоники с тремя частотами ω-Ω, ω и ω.

Для оценки качества работы модулятора с точки зрения вносимых искажений используют статическую модуляционную характеристику – зависимость амплитуды первой гармоники тока Iк1 транзистора от постоянного напряжения смещения на базе Uбэ (рис.4.7) при постоянном уровне гармонического сигнала на входе.

Рис.4.7. Статическая модуляционная характеристика

Для исключения нелинейных искажений необходимо использовать только линейный участок модуляционной характеристики в диапазоне токов IкminIкmах.

При амплитудной модуляции реальным сложным сигналом приведенные рассуждения также справедливы при выборе линейного участка модуляционной характеристики.

Однако, при модуляции сложным сигналом могут возникнуть линейные (частотные) искажения. Эти искажения обусловлены следующим: – чем дальше отстоит боковая составляющая от несущей, тем меньше она усиливается вследствие резонансного характера АЧХ контура модулятора. Для снижения частотных искажений в схеме модулятора необходимо увеличивать полосу пропускания резонансной нагрузки, а с точки зрения фильтрации паразитных гармоник – уменьшать. Поэтому выбирают полосу пропускания нагрузки, равную удвоенному значения высшей частоты модулирующего сигнала.

Пример 4.1.На базу транзистора амплитудного модулятора поступают гармоническиймодулирующий сигнал с амплитудой E = 0,05 B, несущее колебание с амплитудой Uн = Um = 0,1 B и постоянное напряжение смещения U = 0,6 B. Сквозная характеристика транзистора аппроксимирована двумя отрезками прямых линий (рис. 4.6, б) с напряжением Eн = 0,6 B.

Определить коэффициент амплитудной модуляции.

Решение. Используя исходные данные, находим, что рабочая точка перемещается по характеристике от максимального напряжения Umax=U+E= 0,65B до минимального Umin=UE=0,55B.

Читайте также:  Сила тока плотность тока уравнение непрерывности

Подставляя эти величины вместо U в (4.8) и проводя тригонометрические преобразования, вычислим предельные значения угла отсечки:

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока пропорциональна функции Берга γ1(Ө), максимальное и минимальное значения которой, согласно (4.11), равны: γ1max)=0,805, γ1min)=0,196.

Согласно определению коэффициента АМ модуляции имеем:

В амплитудных модуляторах широко применятся аналоговые интегральные микросхемы, совмещающие в своем составе элементы, выполняющие ряд специфических функций.

АМ модуляторы на аналоговых перемножителях напряжений.Интегральный перемножитель напряжений реализует передаточную функцию ивых = kau1u2, где ka – масштабный коэффициент, а u1 и u2 – перемножаемые аналоговые напряжения.

Структурная схема аналогового интегрального перемножителя двух непрерывных напряжений дана на рис.4.8.

Рис.4.8.Структурная схема аналогового перемножителя напряжений

В этой схеме обозначено: (+) – сумматор; () – вычитающее устройство; Кв –устройство возведения в квадрат; :4 – делитель напряжения на четыре (этот элемент необязателен).

При перемножении двух напряжений производятся операции:

В основу аналогового перемножителя положены идентичные, со стабильными параметрами НЭ, имеющие квадратичные характеристики, а на входах перемножителя включены дифференциальные усилители с большим входным сопротивлением.

Такие перемножители наиболее широко применяются в передающих устройствах в качестве балансных амплитудных модуляторов для получения АМ сигналов с подавленной несущей.

Балансные модуляторы реализуют прямое перемножение модулирующего сигнала e(t)=EcosΩt и несущего колебания uн(t)= =Uнcosωt. Выходное напряжение:

состоит из нижней и верхней боковых полос АМ сигнала, в котором отсутствует несущая компонента.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Формирование модулированных сигналов

Характеристики модуляторов

Основными характеристиками модуляторов являются модуляционная и частотная.

Модуляционная характеристика представляет собой зависимость отклонения информационного параметра несущей от воздействующего постоянного модулирующего напряжения Uм. При гармонической несущей это отклонение амплитуды ?Um при АМ, отклонение частоты ?? при ЧМ и отклонение фазы ?? при ФМ.

В идеальном случае модуляционная характеристика должна быть линейной (рисунок 15) однако реальная характеристика имеет отклонения. Эти отклонения приводят к нелинейным искажениям модулированного сигнала. По данной характеристике определяют качественные показатели модулятора (амплитуду модулирующего сигнала).

Рисунок 15 — модуляционная характеристика модулятора

Частотная характеристика представляет собой зависимость основного параметра модулированного сигнала от частоты модулирующего гармонического сигнала uМ(t). Для гармонической несущей такими параметрами являются ? коэффициент mАМ при АМ, девиация частоты ??m при ЧМ, индексу ??m при ФМ.

Идеальная частотная характеристика имеет постоянное значение на всех частотах (рисунок 16). Реальная характеристика имеет отклонения, что приводит к частотным искажениям. По частотной характеристике определяют частотные свойства модулятора (полосу пропускания модулятора).

Рисунок 16 — Частотная характеристика модулятора

Модуляционная и частотная характеристики снимаются экспериментально.

Формирование амплитудно-модулированных сигналов

Однотактный амплитудный модулятор на диоде

В состав данного модулятора входит диод (нелинейный элемент) и полосовой фильтр (рисунок 17). Нелинейный элемент в схеме необходим так как модуляция связана с изменением спектра сигнала.

Рисунок 17- Принципиальная электрическая схема однотактного амплитудного модулятора на диоде

На диод VD, вольтамперная характеристика которого аппроксимирована полиномом второй степени, подаются три напряжения: напряжение смещения U, напряжения модулирующего сигнала (u(t)) и несущего (S(t)) колебания. Спектр отклика диода при таком воздействии будет иметь вид (рисунок). В данном спектре модулированному сигналу соответствуют составляющие на частотах w, ?±?. Эти составляющие выделяются полосовым фильтром, в качестве которого используется колебательный LC контур, настроенный на частоту ?. Временные диаграммы сигналов представлены на рисунке 18.

Рисунок 18 — Спектральная диаграмма отклика диода

Недостатком данного модулятора является присутствие в спектре АИ сигнала составляющей несущего сигнала.

Балансный модулятор

Данный модулятор представляет собой два однотактных амплитудных модулятора работающих на общую нагрузку (рисунок 19). Модулятор содержит два диода с одинаковыми ВАХ аппроксимированными полиномами третьей степени. Два резистора с малым, но одинаковым сопротивлением являются нагрузкой диодов. Модулирующий сигнал подается через первичную обмотку трансформатора, а несущее колебание подается через среднюю точку вторичной обмотки трансформатора и точкой соединения двух резисторов.

Рисунок 19 — Принципиальная электрическая схема балансного модулятора

Если в некоторый момент времени напряжения u(t) и S(t) будут иметь полярность показанную на рисунке, то пренебрегая падением напряжения на резисторах, напряжение на диодах будет равно:

где uII(t) — напряжение модулирующего сигнала во вторичной обмотке трансформатора.

Напряжение на выходе балансного модулятора будет равно

где а1, а2, а3 — коэффициенты аппроксимирующего полинома.

Спектр сигнала на выходе модулятора показан на рисунке 20.

Рисунок 20 — Спектральная диаграмма сигнала на выходе балансного модулятора

Как следует из спектра выходного сигнала, в нем отсутствуют составляющие несущего сигнала, четные составляющие модулирующего сигнала и их высшие гармоники, которые вносят искажения формы модулированного сигнала. Отсутствие составляющей несущего сигнала и ее гармоник объясняется тем, что падение напряжения, вызванные токами этих колебаний на резисторах, имеют одинаковые значения, но противоположную полярность. К недостаткам модулятора можно отнести наличие составляющих модулирующего сигнала и высших гармоник модулированного сигнала.

Кольцевой модулятор

Данный модулятор представляет собой два балансных модулятора работающих на общую нагрузку (рисунок 21).

Рисунок 21 — Принципиальная электрическая схема кольцевого модулятора

Четыре диода VD1 — VD4 имеют одинаковые ВАХ аппроксимированные полиномами третьей степени. Если полярность напряжений u(t) и S(t) в некоторый момент времени соответствует показанной на рисунке, то, пренебрегая падением напряжения на резисторах, напряжение на диодах будет равно

Напряжение на выходе модулятора будет равно

Спектр сигнала на выходе кольцевого модулятора показан на рисунке 22.

Рисунок 22 — Спектральная диаграмма сигнала на выходе кольцевого модулятора

Как видно из диаграммы в спектре сигнала отсутствуют составляющие несущего и модулирующего сигналов, а также отсутствуют высшие составляющие модулированного сигнала. Таким образом, кольцевой модулятор является идеальным модулятором, но лишь для сигналов небольшой амплитуды. При больших амплитудах S(t) и u(t) в спектре выходного сигнала появляются различные комбинации нечетных гармоник входных сигналов.

Амплитудный модулятор на транзисторе

Данный модулятор (рисунок 23) используется для формирования больших амплитуд.

Рисунок 23- Принципиальная электрическая схема амплитудного модулятора на транзисторе

В модуляторе в качестве нелинейного элемента используется транзистор (VT), включенный по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой транзистора является колебательный контур С2 L1, который используется в качестве полосового фильтра и настраивается на частоту первой гармоники несущего колебания w. Также модулятор содержит делитель напряжения R1 R2 подающий напряжение смещения для выбора положения рабочей точки транзистора, резистор R3 обеспечивающий температурную стабилизацию рабочей точки, разделительные конденсаторы С1, С3, С4 разделяющие ток питания от тока сигнала. Модулирующий сигнал подается на эмиттер транзистора. Несущее колебание вместе с напряжением смещения поступают на базу VT. Модулированный сигнал снимается с коллектора.

Достоинством данного модулятора является высокий КПД, т. к. транзистор работает в режиме отсечки коллекторного тока. Временные диаграммы сигналов схемы, поясняющие процесс формирования АМ сигнала в режиме отсечки коллекторного тока показаны на рисунке 24.

Рисунок 24 — Формирование АМ сигнала в режиме отсечки коллекторного тока

Преобразование частоты

Преобразование частоты — процесс переноса спектра сигнала в область более высоких или более низких частот без изменения формы спектра и формы сигнала.

Под формой спектра понимается соотношение между составляющими спектра сигнала. По сути, модуляция и детектирование также являются преобразованием частоты, т. к. при модуляции спектр модулирующего сигнала переносится в область более высоких частот, а при детектировании происходит обратный процесс. Но в основном при преобразовании частоты осуществляется изменение частоты модулированных сигналов.

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Источник