Балансный модулятор на диодах

Для получения амплитудномоду-лированных колебаний с подавленной несущей в технике связи обычно используют диодные балансные и кольцевые модуляторы. Они отлично работают на сравнительно низких частотах, но на частотах выше 10 МГц у таких модуляторов ухудшается точность балансировки и соответственно подавление несущей. Это обусловлено трудностью подбора диодов с идентичными характеристиками и возрастающим на ВЧ вредным шунтирующим действием емкостей диодов.

Предлагаемый балансный модулятор (Авторское свидетельство № 627560. бюллетень № 34 от 5.10.78) в значительной мере лишен этого недостатка. Он выполнен по Т-образной мостовой схеме (рис.1). Собственно Т-мост содержит симметричный высокочастотный трансформатор Т1 и два сопротивления Z1 и Z2. Они могут быть как активными, так и реактивными (индуктивными или емкостными). Коэффициент передачи (отношение выходного напряжения Uвых к напряжению, развиваемому генератором несущей G1) Т-моста равен нулю при условии Z1= =4Z2. Если сопротивление Z2 увеличить. на выходе моста Появляется напряжение, синфазное с напряжением генератора, поскольку будет преобладать ток в продольной ветви моста, содержащей Z1. Если же сопротивление Z2 уменьшить, то будет преобладать ток, текущий через левую (по схеме) половину обмотки трансформатора Т1 и поперечную ветвь — сопротивление Z2. На выходе в этом случае появится напряжение, наведенное в правой половине обмотки, и противофазное напряжению генератора. Таким образом изменяя в такт со звуковой частотой сопротивление одного из плеч моста, можно получить DSB сигнал.


Рис.1

Практическая схема модулятора, работающего на несущей частоте 28 МГц, приведена на рис. 2. Сопротивлением продольной ветви 7.1 служит емкостное


Рис.2

сопротивление конденсатора С1, а поперечной Z2 — емкостное сопротивление ва-рикапа V1. Напряжение смешения подается на варикап с подстроечного резистора R2, которым балансируют модулятор. Если у источника смещения с общим проводом соединен отрицательный вывод, то следует изменить включение варикапа на противоположное. Емкость конденсатора С/ должна быть в четыре раза меньше емкости варикапа при данном напряжении смешения. Когда на варикап воздействует звуковое модулирующее напряжение. его емкость изменяется и Т-мост разбалансируется в ту или другую сторону, обеспечивая амплитудную модуляцию с подавлением несущей.

Напряжения несущей и звуковой частот подают на модулятор (генераторы G1 и G2. в принципе, могут быть включены как последовательно, так и параллельно). При этом входное сопротивление для звуковой частоты получается очень большим и достигает десятков мегаом. Благодаря этому модулятор можно подключать к любому высокоомному источнику НЧ сигнала G2, например RC фазовращателю (при конструировании фазового SSB возбудителя). Модулирующее напряжение можно подвести и по-другому: к верхнему выводу конденсатора С5, уменьшив его емкость до 1000. 3000 пф во избежание завала высших звуковых частот. Входное сопротивление тогда будет равно сопротивлению резистора цепи смешения R1. Движок переменного резистора R2 следует соединить с общим проводом через конденсатор емкостью 0.1. 10 мкф Входное сопротивление модулятора для генератора несущей частоты G/ значительно меньше. оно носит емкостный характер и составляет примерно 200 Ом.


Рис.3

Разделительный конденсатор С2 препятствует попаданию звукового напряжения на выход модулятора. Для согласования модулятора с нагрузкой служит П-контур LIC3C4, настроенный на частоту сигнала. При номиналах конденсаторов, указанных на рис. 2, модулятор хорошо согласуется с высокоомной нагрузкой (усилительным каскадом, выполненным на лампе или полевом транзисторе). Для согласования с низкоомной нагрузкой следует использовать конденсатор С4 большей емкости, добиваясь максимальной отдачи мощности промодулированного сигнала. П-контур обеспечивает хорошую фильтрацию гармоник несущей с частотами 2f, 3f и т. д. Подстраивая этот контур, можно добиться и хорошей линейности модулятора.

Нелинейные искажения при работе модулятора на активную нагрузку проявляются так: амплитуда выходного сигнала при отрицательной полуволне модулирующего напряжения (когда емкость варикапа возрастает) несколько больше, чем при положительной. Это эквивалентно появлению второй гармоники модулирующего сигнала. Возникновение искажений объясняется уменьшением внутреннего емкостного сопротивления модулятора при возрастании емкости варикапа. С ростом коэффициента модуляции т нелинейные искажения заметно увеличиваются (кривая 1 на рис. 3). Соответствующая осциллограмма выходного сигнала показана на рис. 4,а.


Рис.4

Описанные искажения практически полностью устраняются при небольшой расстройке выходного контура вверх по частоте. когда его сопротивление приобретает индуктивный характер. При дальнейшей расстройке появляются аналогичные искажения (но уменьшается уже другая полуволна модулированного сигнала). Таким образом, подстраивая контур конденсатором СЗ, можно добиться очень малых нелинейных искажений (кривая 2 на рис. 3 и осциллограмма на рис. 4, б). При правильно настроенном контуре мгновенное значение коэффициента гармоник в худшем случае (амплитуда НЧ сигнала такова, что коэффициент модуляции т соответствует максимуму кривой 2 на рис. 3) не превышает 2. 3%. Балансировка модулятора при подстройке контура не нарушается. В модуляторе можно применить варикап любого типа с номинальной емкостью не менее 30 пФ. Трансформатор Т1 намотан на .кольцевом сердечнике (типоразмер К8x4x2) из феррита М100НН и содержит 2×10 витков провода ПЭЛШО 0,25. Можно использовать и другие ферритовые кольцевые сердечники с проницаемостью от 30 до 400. Обе половины обмотки трансформатора наматывают одновременно двумя сложенными вместе проводами. Затем начало одного из них соединяют с концом другого, образуя средний вывод. Катушка LI содержит 20 витков такого же провода, намотанного на цилиндрическом каркасе (трубочке) диаметром 6 мм.

Читайте также:  Запишите формулу для вычисления количества электронов

Настройка модулятора несложна. Установив напряжение смещения на движке подстроечного резистора R2 около 6 В, грубо балансируют модулятор конденсатором С1 до минимуму сигнала несущей на выходе. Точная балансировка достигается подстройкой резистора R2. Затем, подав низкочастотный сигнал, наблюдают с помощью высокочастотного осциллографа форму выходного напряжения (см. рис. 4) на конденсаторе С4 я подстраивают выходной П-контур по максимуму амплитуды и минимуму искажений. Настроить модулятор можно и без осциллографа, прослушивая сигнал на связной приемник. Но и в этом случае подстройка элементов С1 и R2 ведется по минимуму несущей, а СЗ — по наилучшему качеству и громкости сигнала.

Экспериментальная проверка модулятора производилась на частоте несущей 28 МГц. Амплитуда напряжения несущей частоты составляла 1 В, а низкочастотного сигнала — 4В. При этом была получена амплитуда выходного сигнала 0,35 В при подавлении несушей, по крайней мере на 30 дБ (минимальное значение, которое мог зарегистрировать автор своей измерительной аппаратурой).

В заключение необходимо отметить, что модулятор можно использовать для получения не только DSB сигнала, но и обычного амплитудномодулированного, сильно разбалансировав его конденсатором С1 и. таким образом, восстановив несущую. В этом случае можно получить очень глубокую AM (практически 100%) с малыми искажениями.

Рис. 2.6 Параллельно-мостовая схема балансного модулятора: а — на четырех диодах; б — на двух диодах

Параллельно-мостовая схема балансного модулятора показана на рис. 2.6. а. При отсутствии звукового напряжения и наличии несущей частоты через диоды проходят односторонние импульсы несущей, которые не попадают на выход из-за баланса моста. В этом можно убедиться, расставив мгновенную полярность на диодах. При подаче звукового колебания в отсутствие несущей частоты возникает ток звуковой частоты через обмотки трансформаторов ТрЗ и Tpl, которые, однако, не трансформируют низкую частоту из-за отсутствия в них железа. При одновременной подаче обоих напряжений цепь тока звуковой частоты шунтируется диодами с частотой коммутирующего напряжения. В результате на выходе получим последовательность модулированных импульсов (рис. 2.5. б).

Аналогично работает и схема, представленная на рис. 2.6.б. Здесь требуются только два диода, зато у входного трансформатора должна быть выведена средняя точка. Половины вторичной обмотки этого трансформатора и два диода образуют мост.

Рис.2.7 Последовательно-мостовая схема балансного модулятора: а — на четырех диодах; б — на двух диодах

В последовательно-мостовой схеме балансного модулятора коммутатор из четырех или двух диодов включается последовательно в цепь звуковых частот (рис. 2.7.).

Все мостовые схемы однополупериодные; последовательность выходных импульсов в них аналогична представленной на рис.2.5.б

Рис.2.8 Кольцевой балансный модулятор: (принципиальная схема)

Кольцевая схема балансного модулятора (рис.2.8.) состоит из входного Tp1 и выходного Тр2 трансформаторов, четырех диодов, включенных в пропускном направлении последовательно друг за другом по замкнутому кольцу: резисторов, предназначенных для компенсации разброса параметров диодов и потенциометра Rб для балансировки схемы.

Положительный полупериод напряжения несущей открывает диоды Д1, Д3 и закрывает Д2, Д4. Модулирующее напряжение вызывает ток по пути: с точки а, диод Д1, первичная обмотка Тр2, диод ДЗ к точке б (либо в обратном направлении). Во вторичной обмотке Тр2 появится импульс тока. В отрицательный полупериод напряжения несущей Ut диоды меняются ролью: Д2, Д4 открыты, а Д1, ДЗ закрыты. Звуковое напряжение создает ток по пути: с точки а, диод Д4, первичная обмотка Тр2, диод Д2 к точке б.

Читайте также:  Зачем 3 провода на кулере

Как видно из схемы, хотя полярность звукового напряжения осталась прежней, направление создаваемого им тока изменилось. Следовательно, изменится также полярность импульса во вторичной обмотке выходного трансформатора. В результате получим последовательность двусторонних импульсов, огибающей которых является полусинусоида. Это указывает на отсутствие несущей частоты. Схема работает аналогично механическому переключателю (рис. 2.10).

В отличие от однополупериодных схем кольцевая схема является двухполупериодной, поскольку в ней используются оба полупериода коммутирующего напряжения (рис. 2.5)

Рис.2.10 Механическая аналогия с переключателем

Важным свойством кольцевого и мостового балансных модуляторов является то, что в выходном напряжении отсутствует частота модулирующего напряжения и её гармоники. Это особенно важно тогда, когда несущая частота выбрана низкой и гармоники модулирующего спектра могут непосредственно попадать в выходной сигнал. Кроме того, если при телеграфной работе предполагается подавать НЧ тон на вход однополосного передатчика, эти схемы БМ предпочтительней, так как они способствуют подавлению паразитных излучений вблизи основного сигнала. Другие схемы БМ в этом случае часто не пригодны.

Кольцевая схема считается лучшей; на ее выходе будет меньше побочных частот, чем в других схемах. Основная энергия содержится в боковых (f±F), т. е, в суммарной и разно-стной комбинационных частотах.

Диодные БМ дают наименьшие нелинейные искажения при модуляции, если амплитуда ВЧ сигнала значительно превосходит модулирующее напряжение. Отношение амплитуд ВЧ к НЧ сигналу берется в пределах 15 :1, Амплитуда ВЧ сигнала обычно составляет несколько вольт это относится к линейному режиму работы БМ ( при относительно высоком уровне напряжения гетеродина, когда характеристику диода в первом приближении можно считать линейной ).

Возможен также и квадратичный режим работы диодного БМ, когда напряжение на диоде не выходит за пределы квадратичного участка характеристики диода. Для большинства диодов это напряжения не превышает 0,2- 0,.5 в.В этом случае отношение напряжения гетеродина к напряжению сигнала можно уменьшить в несколько раз при том же коэффициенте нелинейных искажений. Однако уровень выходного сигнала при квадратичном режиме БМ в несколько раз меньше, чем при линейном, в следствии малых входных напряжений.

Частоты на которых хорошо работают диодные БМ, зависят от типов применяемых диодов и лежат в пределах от десятков КГц до 10-15 МГц.

Общей чертой всех БМ является возможность высокой степени подавления несущей порядка до 35-- 40 дБ

Диодные БМ имеют низкие входные характеристики и выходные сопротивления,поэтому применение согласующих устройств обязательно.

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.

Читайте также:  Звук регулировки громкости windows 10

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.

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock
detector