1. Преобразование частоты сигнала . В этом случае сигнал на входе устройства с переменной амплитудой и (или) фазой , сосредоточенный по спектру около частоты f 1 превращается на выходе устройства в сигнал , имеющий ту же форму (К и - постоянные), но сосредоточенный по спектру около частоты .
При преобразовании частоты вверх f 2 больше, чем f 1. При преобразовании частоты вниз f 2 меньше, чем f 1 .
Преобразование частоты часто используется в современных устройствах при приёме сигналов как с амплитудной, так и угловой модуляцией;
2. Преобразователь частоты. Преобразователем частоты называют устройство, позволяющее переносить спектр входного сигнала вверх или вниз по шкале частот.
В качестве преобразователя частоты может быть использован нелинейный усилитель с колебательным контуром на выходе, настроенным на специальную (комбинационную) частоту, рис. 3.1.
Рисунок 3.1. Схема преобразователя при преобразовании частоты вверх
Преобразование частоты вверх осуществляется путем перемножения двух колебаний и и выделения колебания с комбинационной частотой (w+Ω) на выходе, следуя формуле:
cos(x)×cos(y) = (1/2)
При этом имеем:
Воздействие:
Полезная реакция:
В общем случае низкочастотный сигнал можно представить в виде суммы нескольких гармонических колебаний. Для выделения полезной реакции необходим фильтр.
Преобразование частоты вниз осуществляется по той же схеме нелинейного усилителя (рис. 3.2) путем перемножения двух входных колебаний и и выделения колебания с комбинационной частотой на выходе, следуя формуле:
cos(x)×cos(y) = (1/2)
Рисунок 3.2 - Схема преобразователя при преобразовании частоты вниз
При этом имеем:
Воздействие:
Полезная реакция:
В общем случае низкочастотный сигнал можно представить в виде суммы нескольких гармонических колебаний. Для выделения полезной реакции необходим фильтр низкой частоты.
3.Амплитудная модуляция ( АМ) исторически была первым видом модуляции, освоенным на практике. В настоящее время АМ применяется в основном только для радиовещания на сравнительно низких частотах (не выше коротких волн) и для передачи изображения в телевизионном вещании. Это обусловлено низким КПД использования энергии модулированных сигналов.
АМ соответствует переносу информации s(t) в амплитуду U(t) при постоянных значениях параметров несущего колебания: частоты w и начальной фазы j 0 . АМ – сигнал представляет собой произведение информационной огибающей U(t) и гармонического колебания ее заполнения с более высокими частотами. Форма записи амплитудно-модулированного сигнала:
u(t) = U(t)×cos(w o t+j o), (3.1)
U(t) = U m ×, (3.2)
где U m – постоянная амплитуда несущего колебания при отсутствии входного (модулирующего) сигнала s(t), m – коэффициент амплитудной модуляции
Значение m характеризует глубину амплитудной модуляции. В простейшем случае, если модулирующий сигнал представлен одночастотным гармоническим колебанием с амплитудой S o , то коэффициент модуляции равен отношению амплитуд модулирующего и несущего колебания m=S o /U m . Значение m должно находиться в пределах от 0 до 1 для всех гармоник модулирующего сигнала. При значении m<1 форма огибающей несущего колебания полностью повторяет форму модулирующего сигнала s(t), что можно видеть на рис.3.4 (сигнал s(t) = sin(w s t)). Малую глубину модуляции для основных гармоник модулирующего сигнала (m<<1) применять нецелесообразно, т.к. при этом мощность передаваемого информационного сигнала будет много меньше мощности несущего колебания, и мощность передатчика используется неэкономично.
Рис..3.4 – Модулированный сигнал Рис. 3.5 – Глубокая модуляция
На рис.3.5 приведен пример так называемой глубокой модуляции, при которой значение m стремится к 1 в экстремальных точках функции s(t).
Стопроцентная модуляция (m=1) может приводить к искажениям сигналов при перегрузках передатчика, если последний имеет ограниченный динамический диапазон по амплитуде несущих частот или ограниченную мощность передатчика (увеличение амплитуды несущих колебаний в пиковых интервалах сигнала U(t) в два раза требует увеличения мощности передатчика в четыре раза).
При m>1 возникает так называемая перемодуляция , пример которой приведен на рис.3.6. Форма огибающей при перемодуляции искажается относительно формы модулирующего сигнала и после демодуляции, если применяются ее простейшие методы, информация может искажаться.
4.Моногармоническая амплитудная модуляция. Простейшая форма модулированного сигнала создается при моногармонической амплитудной модуляции – модуляции несущего сигнала гармоническим колебанием с одной частотой Ω:
u(t) = U m × cos(w o t), (3.3)
Значения начальных фазовых углов несущего и модулирующего колебания здесь и в дальнейшем, для упрощения получаемых выражений будем принимать равными нулю. С учетом формулы cos(x)×cos(y) = (1/2) из выражения (3.3) получаем:
u(t) = U m cos(w o t) + (U m M/2)cos[(w o +Ω)t] + (U m M/2)cos[(w o - Ω)t] (3.4)
Отсюда следует, что модулирующее колебание с частотой Ω перемещается в область частоты w o и расщепляется на два колебания с частотами соответственно w o + Ω верхняя боковая частота, и w o - j - нижняя боковая частота. Эти частоты располагаются на оси симметрично относительно частоты w o , рис. 3.7. Амплитуды колебаний на боковых частотах равны друг другу, и при 100%-ной модуляции равны половине амплитуды колебаний несущей частоты. Если преобразовать уравнение (3.3) с учетом начальных фаз несущей и модулирующей частоты, то получим правило изменения фаз, аналогичное правилу изменения частоты:
Начальная фаза модулирующего колебания для верхней боковой частоты складывается с начальной фазой несущей,
Начальная фаза модулирующего колебания для нижней – вычитается из фазы несущей.
Физическая ширина спектра модулированного сигнала в два раза больше ширины спектра модулирующего сигнала.
3 Преобразователи частоты 2.1 Принципы построения преобразователей частоты Преобразование частоты представляет собой процесс линейного переноса спектра полезного сигнала по оси частот.1 приведен пример изменений тонально модулированного колебания во временной и частотной областях при преобразовании частоты âвнизâ. Из рисунка видно что полезная информация которая заключена в амплитуде начальной фазе и частоте огибающей при преобразовании частоты не изменилась.
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
ЛЕКЦИЯ 4
2.3 Преобразователи частоты
2.3.1 Принципы построения преобразователей частоты
Преобразование частоты представляет собой процесс линейного переноса спектра полезного сигнала по оси частот. Под линейным понимается такой перенос, при котором не изменяется количество спектральных составляющих, расстояние между ними по оси частот, соотношение их амплитуд и начальных фаз. При преобразовании возможно лишь изменение амплитуд гармонических составляющих (увеличение или уменьшение) в одно и тоже число раз и изменение частот этих составляющих (обязательно всех) на одну и туже величину.
На рис.1 приведен пример изменений тонально - модулированного колебания во временной и частотной областях при преобразовании частоты “вниз”. Из рисунка видно, что полезная информация, которая заключена в амплитуде, начальной фазе и частоте огибающей, при преобразовании частоты не изменилась.
Рис.1
Как видно из рисунка, преобразование частоты связано с появлением в спектре выходного сигнала гармонических составляющих, которых не было в спектре исходного колебания. Как известно, расширение спектра возможно лишь в параметрической либо нелинейной цепи. В связи с этим существует два способа переноса спектра сигнала без нарушения его структуры. Это параметрическое преобразование частоты и преобразование с использованием нелинейного элемента.
А) Преобразование частоты с помощью параметрической цепи.
Пусть у параметрической цепи (ПЦ на рис.2) под воздействием напряжения гетеродина
меняется во времени крутизна S (t), связывающая между собой выходной ток и входное напряжение. Закон изменения этого коэффициента во времени (рис.3) будет иметь вид
Рис.2 , (5.1)
где начальное значение крутизны (при отсутствии гетеродинного напряжения); - первая гармоника крутизны, обусловленная действием гетеродинного напряжения; k - размерный коэффициент пропорциональности.
Если на вход параметрической цепи подать напряжение сигнала, для простоты полагая его равным
то выходной ток будет изменяться во времени по закону
(5.2)
Полосовой фильтр (ПФ) L ф C ф можно настроить как на частоту (разностное преобразование частоты), так и на (суммарное преобразование). Выходное напряжение в первом случае, например, будет иметь вид
, (5.3)
где К пф - коэффициент передачи ПФ. Объединяя все постоянные величины выражения (5.3) в коэффициент Ко , окончательно можно записать выходное напряжение в виде:
Рис.3 . (5.4)
Как видно из формулы, амплитуда выходного сигнала пропорциональна амплитуде входного, а значит закон ее изменения (при наличии амплитудной модуляции) в процессе преобразования частоты сохраняется.
Б) Преобразователи частоты на базе нелинейного элемента.
Нелинейным называется элемент, какой либо параметр (параметры) которого зависит от величины воздействующего на него сигнала. Структурная схема преобразователя на базе НЭ изображена на рис.4. Для простоты будем полагать, что зависимость выходного тока от входного напряжения имеет квадратичный характер и описывается выражением
, (5.5)
где к - размерный коэффициент, зависящий от типа параметрической цепи.
Пусть гетеродинное напряжение изменяется по гармоническому закону, (5.6)
а напряжение сигнала, соответственно:,
Рис.4 (5.7)
где - начальная фаза.
Очевидно, что выходной ток будет определяться выражением
(5.8)
Анализ полученного выражения показывает, что в составе выходного тока присутствует постоянная составляющая, величиной
, (5.9)
гармоника на частоте входного сигнала с амплитудой, гармоника на удвоенной частоте сигнала с амплитудой гармоники на частоте гетеродина и удвоенной частоте гетеродина соответственно с амплитудами и. Все эти составляющие не создают падения напряжения на выходном фильтре, настроенном на величину промежуточной частоты.
Выходной сигнал формируется только пятым (), либо шестым () слагаемым из правой части выражения (5.8), в зависимости от того, на какую частоту настроен выходной фильтр. В первом случае напряжение промежуточной частоты описывается выражением:
. (5.10)
Нетрудно видеть, что здесь, как и в предыдущем случае, амплитуда напряжения промежуточной частоты пропорциональна амплитуде входного сигнала U c , а значит, закон амплитудной модуляции при преобразовании частоты не нарушается. Сохраняется информация и о фазе полезного сигнала. Спектр выходного тока изображен на рис.5а.
Соответствующей настройкой полосового фильтра можно выделить колебание как суммарной, так и разностной частоты (Рис.5б). Оба варианта используются на практике с учетом конкретных задач преобразования.
До сих пор при рассуждениях предполагалось, что вольтамперная характеристика нелинейного элемента описывается выражением (5.5), т.е. является квадратичной. Характеристики реальных цепей описываются полиномами более высокой степени. Даже при наличии еще только кубического члена в аппроксимирующем полиноме у напряжения гетеродина появятся высшие гармоники, каждая из которых обеспечит в спектре выходного тока пару комбинационных составляющих в соответствии с формулой:
Где n =0,1,2... . (5.11)
Высшие гармоники гетеродинного напряжения появляются и в случае, если само это напряжение имеет форму, отличную от гармонической. И в этом случае частоты на выходе преобразователя будут описываться выражением (5.11). Отсюда вытекает важное требование к гетеродинам. Они должны обеспечивать получение, по возможности, монохроматического колебания.
В реальных преобразователях имеют место обе вышеуказанные причины возникновения комбинационных частот. Иногда, в силу определенных соображений, может специально использоваться преобразование частоты именно на гармониках гетеродина.
Если в ПЧ на нелинейном элементе обеспечить выполнение неравенства
Uc << Uг, (5.12)
то можно будет полагать, что на положение рабочей точки на ВАХ влияет только гетеродинное напряжение. Для рассматриваемого простейшего случая ВАХ, описываемой формулой (5.5), крутизна в текущей рабочей точке будет меняться в соответствии с выражением
и описание работы преобразователя на нелинейном элементе будет аналогично описанию параметрического преобразователя. При выполнении (5.12) нелинейностью участка характеристики, на которую “падает” входной сигнал, можно пренебречь. Чем сильнее неравенство (5.12), тем более линейной по отношению к сигналу можно считать процедуру преобразования частоты. Реальные значения напряжений гетеродинов, подаваемых на ПЧ, лежат в пределах 0,1...2 В. Напряжения сигналов колеблются от долей микровольта в приемниках без УРЧ, до единиц милливольт, т.е. легко обеспечивается оговоренное выше условие.
Особо следует отметить, что гармоники сигнала могут появиться на входе ПЧ и в результате нелинейности характеристик каскадов, предшествующих преобразователю, Такими каскадами являются УРЧ и входная цепь, если в ней для настройки используются, например, варикапы.
Наличие гармоник сигнала в ПЧ приводит к тому, что среди продуктов преобразования присутствуют составляющие на частотах, описываемых более сложным вариантом формулы (5.11):
, (5.13)
где m=0,1,2....- номер гармоники сигнала.
Очевидно, возможны такие комбинации m и n , при которых комбинационная частота становится равной частоте настройки полосового фильтра и такое колебание проходит на выход преобразователя частоты. Это означает, что не только полезный сигнал после преобразования “пересаживается” на промежуточную частоту, но и всякий другой, частота которого удовлетворяет условию, легко получаемому из (5.13)
, (5.14)
где f пр - частота настройки полосового фильтра (промежуточная частота).
. (5.15)
Если в (5.14) подставить n = 1 и m = 1, то при одной и той же частоте настройки гетеродина получится пара частот, обеспечивающих после преобразования промежуточную частоту:
. (5.16)
Одна из этих частот называется каналом полезного сигнала, а вторая - зеркальным каналом приема. Зеркальный канал и все остальные, получающиеся из (5.14) при n и m не равных единице, называются побочными каналами приема.
В) Варианты преобразования частоты
На практике находят применение различные варианты преобразования частоты.
1) Преобразование “вниз”, при котором спектр сигнала перемещается в область частот, лежащую ниже минимальной частоты рабочего диапазона приемника. Преобразование может быть получено только путем вычитания частот сигнала и гетеродина в соответствии с выражением (разностное преобразование). Здесь возможны два варианта: нижняя настройка гетеродина и верхняя. При использовании нижней настройки спектр принимаемого сигнала не инвертируется (рис.7а), а при верхней происходит инверсия боковых спектров (рис7б). Это необходимо учитывать при последующей обработке сигналов, особенно с несимметричными спектрами, например однополосных.
Перенос спектра ниже минимальной частоты диапазона упрощает схему приемника, так как при этом уменьшается количество преобразований частоты, облегчается получение в каскадах, стоящих после преобразователя, высоких коэффициентов усиления и высокой избирательности. Однако при этом затруднено подавление в преселекторе каналов приема на зеркальной и промежуточной частотах.
2 ) Преобразование “вверх”, при котором спектр принимаемого сигнала переносится выше максимальной частоты рабочего диапазона приемника. Преобразование может быть разностным и суммарным (соответственно рис.8а и 8б).
Разностное может быть реализовано только при верхней настройке гетеродина. Как и в предыдущем случае, здесь происходит инвертирование боковых спектров. Недостатком является также необходимость настройки гетеродина на высокие частоты, что требует принятия дополнительных мер по обеспечению его устойчивости. В приемнике, как правило, увеличивается число преобразований частоты, и возникают трудности в изготовлении высокоизбирательных фильтров в тракте первой промежуточной частоты.
Весьма положительным можно считать, при этом, значительное уменьшение коэффициента перекрытия по частоте гетеродина по сравнению с коэффициентом перекрытия по частоте входного сигнала. Действительно, если, например, нижняя частота рабочего диапазона f н =1 МГц, а промежуточная частота f пр =30 МГц, то частота гетеродина должна быть f г =31 МГц. При увеличении частоты гетеродина до 61 МГц (коэффициент перекрытия гетеродина К п = 61/31 2), верхняя частота рабочего диапазона будет равна f в = 61 - 30 = 31 МГц, а значит коэффициент перекрытия приемника равен 31/1=31, т.е. в пятнадцать раз больше, чем у гетеродина. Легко проверить, что при малых значениях промежуточной частоты эти величины соизмеримы. Коэффициент же перекрытия генератора на практике трудно получить больше 3...5.
Очевидно, существенно при этом упрощается также задача подавления всех побочных каналов приема.
Суммарное преобразование “вверх” может быть реализовано как при верхней, так и при нижней настройках гетеродина.
Нижняя настройка позволяет использовать относительно низкую частоту первого гетеродина. Существенным недостатком здесь является усложнение схемы перестройки, так как для сохранения постоянства промежуточной частоты гетеродин и преселектор должны перестраиваться в противоположных направлениях. Кроме того, увеличивается количество побочных каналов приема, попадающих в рабочий диапазон приемника.
Особенности верхней настройки аналогичны только что описанным, за исключением того, что возникают дополнительные сложности при реализации гетеродина, связанные с необходимостью его настройки на высокие частоты.
2.3.2. Основы теории преобразования частоты
А) Уравнения прямого и обратного преобразования частоты
В общем случае преобразователь частоты (ПЧ) можно представить в виде активного шестиполюсника (рис.9), к которому приложены три напряжения: сигнала u c , гетеродина u г и промежуточной частоты u пр . Пусть, для упрощения выкладок, эти напряжения описываются выражениями:
(5.17)
Выходной ток в такой цепи является функцией всех трех напряжений:
. (5.18)
Вид функции f при этом определяется статической характеристикой нелинейного элемента (НЭ). Как уже отмечалось ранее, для обеспечения линейности преобразования по входному сигналу, необходимо выполнить условие
. (5.19)
Поскольку амплитуда напряжения промежуточной частоты не может быть больше напряжения сигнала, выполняется и условие
. (5.20)
Таким образом, можно считать, что текущее значение напряжения гетеродина задает положение рабочей точки (РТ) на вольтамперной характеристике НЭ, обеспечивая протекание выходного тока. На рис.10 изображено положение РТ для некоторого момента t 1 . Под действием напряжения сигнала выходной ток будет изменяться в небольших окрестностях рабочей точки. В силу неравенства (5.19) участок ВАХ, на который будет «падать» напряжение сигнала, можно считать линейным. На рис.10 этот участок выделен жирной линией. Крутизна этого участка, как видно из рисунка, будет зависеть от текущего положения рабочей точки, определяемого мгновенным значением напряжения гетеродина. Приведенные рассуждения справедливы и для напряжения промежуточной частоты, с той лишь разницей, что крутизна преобразования для этого напряжения, в общем случае, может отличаться от крутизны для напряжения сигнала.
В силу неравенств (5.19) и (5.20) результирующий выходной ток можно представить в виде ряда Тейлора, ограничившись первыми тремя слагаемыми:
. (5.21)
Очевидно, здесь - имеет смысл крутизны ВАХ НЭ по напряжению сигнала, а величина -
выходной (внутренней) проводимости НЭ.
Рис. 10 С учетом этих обозначений формулу (5.21) можно переписать в виде:
. (5.22)
Поскольку величины зависят от напряжения гетеродина, а, значит, являются периодическими функциями времени, каждую из них можно разложить в ряд Фурье:
(5.23)
Подставив правые части выражений (5.23) в формулу (5.22), получим:
(5.24)
Рассмотрение полученного результата позволяет заключить, что в выходном токе будет присутствовать постоянная составляющая I 0 , и гармоники на частотах nω г , ω с , |ω c - nω г |, ω с + n ω г , ω пр ± n ω г . Поскольку n может принимать любое целое значение, количество гармонических составляющих в выходном токе в общем случае равно бесконечности.
Нагрузкой преобразователя частоты служит частотно-избирательная цепь (в простейшем случае - колебательный контур), настроенная на промежуточную частоту ω пр . В силу этого, из всего многообразия гармоник выходного тока, падение напряжения на нагрузке будет создаваться только гармониками с частотой ω пр . В общем случае под промежуточной частотой понимается либо частота |ω c - nω г | либо ω с + n ω г , понятно, что при одном конкретном значении n . Очевидно, что в выражении (5.24) всего две составляющие имеют частоту, равную промежуточной. Наиболее часто используется разностное преобразование, т.е. ω пр = |ω с n ω г |. Для этого случая существенная часть выходного тока (та, которая создает на нагрузке падение напряжения) запишется в виде:
. (5.25)
Падение напряжения на резонансной нагрузке будет равно. Для всех других составляющих выходного тока резонансная нагрузка преобразователя представляет практически короткое замыкание.
Переходя в (5.25) к символической записи, получим:
, (5.26)
где, - комплексные амплитуды тока и напряжений; - начальная фаза входного сигнала (в формуле (5.17) для простоты положена равной нулю); - начальная фаза тока и напряжения промежуточной частоты.
Сокращая в выражении (5.26) частотные множители, получаем линейное уравнение
, (5.27)
связывающее комплексные амплитуды тока промежуточной частоты и напряжений частот сигнала и промежуточной. Это выражение называется уравнением прямого преобразования. Первое слагаемое обусловлено эффектом прямого преобразования, а второе реакцией нагрузки, включенной на выходе преобразователя.
Коэффициент здесь является n -ной гармоникой крутизны нелинейного элемента по входному сигналу. Коэффициент соответственно постоянной составляющей выходной проводимости ПЧ, и характеризует изменение выходного тока промежуточной частоты под действием выходного же напряжения.
Входной ток преобразователя, так же, как и выходной ток, можно представить функцией трех напряжений:
где. Проделав рассуждения, аналогичные предыдущим, можно получить выражение для комплексной амплитуды входного тока на частоте сигнала:
, (5.28)
которое называют уравнением обратного преобразования. Величина амплитуда n -ной гармоники крутизны нелинейного элемента от выходного напряжения ко входному току. Величина входная проводимость преобразователя для входного сигнала.
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 21709. | УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ | 34.95 KB | |
| Они могут быть использованы для преобразования электрической энергии в механическую и обратно. В качестве материалов для преобразователей применяются вещества с сильно выраженной связью упругого и электрического или магнитного состояний. выше порога слышимости для человеческого уха то такие колебания называют ультразвуковыми УЗК. Для получения УЗ-колебаний применяют пьезоэлектрические магнитострикционные электромагнитно-акустические ЭМА и другие преобразователи. | |||
| 6189. | Генераторные измерительные преобразователи | 172.86 KB | |
| Термоэлектрические преобразователи термопары. Основаны на термоэлектрическом эффекте возникающем в цепи термопары. Принцип действия термопары поясняется рис. Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары. | |||
| 6176. | Аналого-цифровые преобразователи | 503.8 KB | |
| Задача АЦП автоматически трансформировать бесконечное множество возможных значений входной аналоговой величины в конечное множество в ограниченный набор цифровых эквивалентов кодов. Разрядность АЦП его погрешности чувствительность быстродействие надежность в значительной мере определяют окончательную достоверность результатов измерения и регистрации возможности и характеристики цифровой измерительной аппаратуры в целом. В любом АЦП можно выделить цифровую и аналоговую части В цифровой части производится кодирование сравнение... | |||
| 6172. | Параметрические измерительные преобразователи | 137.84 KB | |
| Параметрические измерительные преобразователи Термометры сопротивления. Термометры сопротивления как и термопары предназначены для измерения температуры газообразных твердых и жидких тел а также температуры поверхности... | |||
| 2366. | ПАССИВНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ | 782.49 KB | |
| Первичные измерительные преобразователи тока. К измерительным органам ток обычно подводится от первичных измерительных преобразователей тока обеспечивающих изоляцию цепей тока измерительных органов от высокого напряжения и позволяющих получить стандартное значение вторичного тока независимо от номинального первичного тока. Наибольшее распространение получили измерительные трансформаторы тока ТА. В системах электроснабжения применяют также измерительные преобразователи тока названные магнитными трансформаторами тока МТТ. | |||
| 5415. | Микропроцессорный измеритель частоты | 580.22 KB | |
| В соответствии с техническим заданием устройство выполнено в виде стационарного прибора с возможностью его переноса что позволяют его габариты помещённого в корпус из ударопрочного полистирола. | |||
| 5137. | Изучение работы преобразователей частоты | 166.33 KB | |
| Изучение конструкции принципа действия и приобретение навыков работы на лабораторной установке на базе комплектного электропривода переменного тока типа... | |||
| 20648. | Расчет усилителя мощности низкой частоты | 753.19 KB | |
| Требования предъявляемые к проектируемому усилителю следующие: Вариант Выходная мощность Рн Диапазон частот fн-fв Напряжение питания Uп Входное напряжение Uвх Входное сопротив- ление Rвх Коэффициент частотных искажений Мн=Мв КПД не менее Вт Гц В мВ кОм - 4 12 20-2010 15 30 110 50 В пояснительной записке должны быть следующие разделы: - титульный лист; - техническое задание на курсовой проект; - содержание; - вводная часть; - обоснование выбора или разработка функциональной схемы; -... | |||
| 6968. | Импульсные токи низкой частоты и низкого напряжения | 12.89 KB | |
| В современной физиотерапии следует считать весьма перспективным дальнейшее совершенствование импульсных ритмических воздействий при лечении различных патологических состояний, так как импульсное воздействия в определенном заданном режиме соответствуют физиологическим ритмам функционирующих органов и систем. | |||
| 6965. | Переменные токи высокой частоты. (Дарсонвализация. Индуктотермия.) | 18.05 KB | |
| Переменные токи и поля ВЧ УВЧ и СВЧ. Эти токи могут быть подведены к тканям больного в виде: импульсов переменного тока высокого напряжения местная дарсонвализация электромагнитного поля ВЧ индуктотермия электрического поля УВЧ УВЧтерапия электромагнитные колебания СВЧ микроволновая терапия. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ УВЧ УВЧтерапия лечебный метод при котором действующим фактором является переменное электрическое поле УВЧ подведенное к тканям с помощью конденсаторных пластин. | |||
В радиотехнике часто требуется осуществить сдвиг спектра сигнала по оси частот на определенное постоянное значение при сохранении структуры сигнала. Такой сдвиг называется преобразованием час
Для выяснения сути процесса преобразования частоты вернемся к вопросу о воздействии на нелинейный элемент двух напряжений, кратко рассмотренному в § 8.4. Однако в данном случае только одно из колебаний, именно то, которое создается вспомогательным генератором (гетеродином), будем считать гармоническим. Под вторым же колебанием будем подразумевать сигнал, подлежащий преобразованию, который может представлять собой любой сложный, но узкополосный процесс.
Таким образом, на нелинейный элемент воздействуют два напряжения: от гетеродина
от источника сигнала
Амплитуда частота и начальная фаза гетеродинного колебания - постоянные величины. Амплитуда же и мгновенная частота сигнала могут быть модулированными, т. е. могут являться медленными функциями времени (узкополосный процесс). Начальная фаза сигнала - постоянная величина.
Задачей преобразования частоты является получение суммарной или разностной частоты . Как вытекает из выражения (8.30), для этого необходимо использовать квадратичную нелинейность,
В качестве нелинейного элемента возьмем, как и в § 8.9, диод, однако характеристику его для более полного выявления продуктов взаимодействия сигнала и гетеродинного колебания аппроксимируем полиномом четвертой степени (а не второй, как в § 8.4):
Слагаемые, содержащие различные степени только или только интереса не представляют. С точки зрения преобразования (сдвига) частоты основное значение имеют члены, представляющие собой произведения вида правой части выражения (8.72) обведены рамками.
Подставляя в эти произведения (8.70) и (8.71) и отбрасывая все составляющие, частоты которых не являются суммой соч или разностью после несложных тригонометрических выкладок приходим к следующему окончательному результату:
Из этого результата видно, что интересующие нас частоты возникают лишь благодаря четным степеням полинома, аппроксимирующего характеристику нелинейного элемента. Однако один лишь квадратичный член полинома (с коэффициентом ) образует составляющие, аплитуды которых пропорциональны только первой степени Более высокие четные степени (четвертая, шестая и т. д.) нарушают эту пропорциональность, так как амплитуды привносимых ими колебаний содержат также степени выше первой.
Отсюда видно, что амплитуды должны выбираться с таким расчетом, чтобы в разложении (8.72) преобладающее значение имели слагаемые не выше второй степени. Для этого требуется выполнение неравенств
Тогда выражение (8.73) переходит в следующее:
В радиоприемных и многих других устройствах, в которых задача преобразования частоты тесно связана с задачей усиления сигнала, обычно?,
Первое слагаемое в фигурных скобках с частотой (производная от аргумента косинуса) соответствует сдвигу спектра сигнала в область высоких частот, а второе с частотой - в область низких частот. Для выделения одной из этих частот - разностной или суммарной - нужно применять соответствующую нагрузку на выходе преобразователя. Пусть, например, частоты очень близки и требуется выделить низкую частоту, расположенную около нуля. Такая задача часто встречается в измерительной технике (метод «нулевых биений»). В этом случае нагрузка должна быть такой же, как при амплитудном детектировании, т. е. состоять из параллельного соединения R и С, обеспечивающего отфильтровывание (подавление) высоких частот и выделение разностной частоты Если разностная частота лежит в диапазоне высоких частот, то для ее выделения следует применить резонансную колебательную цепь (рис. 8.42). Если полезной, подлежащей выделению является суммарная частота то контур соответственно должен быть настроен на частоту
Обычно полоса пропускания колебательной цепи, являющейся нагрузкой преобразователя, рассчитана на ширину спектра модулированного колебания. При этом все составляющие тока с частотами, близкими к , проходят через контур равномерно и структура сигнала на выходе совпадает со структурой сигнала на входе.
Рис. 8.42. Схема замещения преобразователя частоты
Рис. 8.43. Спектр сигнала на входе и выходе преобразователя:
Единственное отличие заключается в том, что частота на выходе равна или смотря по тому какова резонансная частота нагрузочной цепи.
Итак, при преобразовании частоты законы изменения амплитуды частоты и фазы входного колебания переносятся на выходное колебание. В этом смысле рассматриваемое преобразование сигнала является линейным, а устройство - линейным преобразователем или «смесителем».
Ротор любого электродвигателя приводится в движение под действием сил, вызванных вращающимся электромагнитным полем внутри обмотки статора. Скорость его оборотов обычно определяется промышленной частотой электрической сети.
Ее стандартная величина в 50 герц подразумевает совершение пятидесяти периодов колебаний в течение одной секунды. За одну минуту их число возрастает в 60 раз и составляет 50х60=3000 оборотов. Такое же число раз проворачивается ротор под воздействием приложенного электромагнитного поля.
Если изменять величину частоты сети, приложенной к статору, то можно регулировать скорость вращения ротора и подключенного к нему привода. Этот принцип заложен в основу управления электродвигателями.
Виды частотных преобразователей
По конструкции частотные преобразователи бывают:
1. индукционного типа;
2. электронные.
Асинхронные электродвигатели, выполненные и запущенные в режим генератора, являются представителями первого вида. Они при работе обладают низким КПД и отмечаются маленькой эффективностью. Поэтому они не нашли широкого применения в производстве и используются крайне редко.
Способ электронного преобразования частоты позволяет плавно регулировать обороты как асинхронных, так и синхронных машин. При этом может быть реализован один из двух принципов управления:
1. по заранее заданной характеристике зависимости скорости вращения от частоты (V/f);
2. метод векторного управления.
Первый способ является наиболее простым и менее совершенным, а второй используется для точного регулирования скоростей вращения ответственного промышленного оборудования.
Особенности векторного управления частотным преобразованием
Отличием этого способа является взаимодействие, влияние устройства управления преобразователя на «пространственный вектор» магнитного потока, вращающийся с частотой поля ротора.
Алгоритмы для работы преобразователей по этому принципу создаются двумя способами:
1. бессенсорного управления;
2. потокорегулирования.
Первый метод основан на назначении определенной зависимости чередования последовательностей инвертора для заранее подготовленных алгоритмов. При этом амплитуда и частота напряжения на выходе преобразователя регулируются по скольжению и нагрузочному току, но без использования обратных связей по скорости вращения ротора.
Этим способом пользуются при управлении несколькими электродвигателями, подключенными параллельно к преобразователю частоты. Потокорегулирование подразумевает контроль рабочих токов внутри двигателя с разложением их на активную и реактивную составляющие и внесение корректив в работу преобразователя для выставления амплитуды, частоты и угла для векторов выходного напряжения.
Это позволяет повысить точность работы двигателя и увеличить границы его регулирования. Применение потокорегулирования расширяет возможности приводов, работающих на малых оборотах с большими динамическими нагрузками, такими как подъемные крановые устройства или намоточные промышленные станки.
Использование векторной технологии позволяет применять динамическую регулировку вращающихся моментов к .
Схема замещения
Принципиальную упрощенную электрическую схему асинхронного двигателя можно представить следующим видом.
На обмотки статора, обладающие активным R1 и индуктивным X1 сопротивлениями, приложено напряжение u1. Оно, преодолевая сопротивление воздушного зазора Хв, трансформируется в обмотку ротора, вызывая в ней ток, который преодолевает ее сопротивление.
Векторная диаграмма схемы замещения
Ее построение помогает понять происходящие процессы внутри асинхронного двигателя.
Энергия тока статора разделяется на две части:
iµ - потокообразующую долю;
iw - моментообразующую составляющую.
При этом ротор обладает активным сопротивлением R2/s, зависящим от скольжения.
Для бессенсорного управления измеряются:
напряжение u1;
ток i1.
По их значениям рассчитывают:
iµ - потокообразующую составляющую тока;
iw - моментообразующую величину.
В алгоритм расчета уже заложили электронную эквивалентную схему асинхронного двигателя с регуляторами тока, в которой учтены условия насыщения электромагнитного поля и потерь магнитной энергии в стали.
Обе этих составляющих векторов тока, отличающиеся по углу и амплитуде, вращаются совместно с системой координат ротора и пересчитываются в стационарную систему ориентации по статору.
По этому принципу подстраиваются параметры частотного преобразователя под нагрузку асинхронного двигателя.
Принцип работы частотного преобразователя
В основу этого устройства, которое еще называют инвертором, заложено двойное изменение формы сигнала питающей электрической сети.
Вначале промышленное напряжение подается на силовой выпрямительный блок с мощными диодами, которые убирают синусоидальные гармоники, но оставляют пульсации сигнала. Для их ликвидации предусмотрена батарея конденсаторов с индуктивностью (LC-фильтр), обеспечивающая стабильную, сглаженную форму выпрямленному напряжению.
Затем сигнал поступает на вход преобразователя частоты, который представляет собой мостовую трехфазную схему из шести серии IGBT или MOSFET с диодами защиты от пробоя напряжений обратной полярности. Используемые ранее для этих целей тиристоры не обладают достаточным быстродействием и работают с большими помехами.
Для включения режима «торможения» двигателя в схему может быть установлен управляемый транзистор с мощным резистором, рассеивающим энергию. Такой прием позволяет убирать генерируемое двигателем напряжение для защиты конденсаторов фильтра от перезарядки и выхода из строя.
Способ векторного управления частотой преобразователя позволяет создавать схемы, осуществляющие автоматическое регулирование сигнала системами САР. Для этого используется система управления:
1. амплитудная;
2. ШИМ (широтного импульсного моделирования).
Метод амплитудного регулирования основан на изменении входного напряжения, а ШИМ - алгоритма переключений силовых транзисторов при неизменном напряжении входа.
При ШИМ регулировании создается период модуляции сигнала, когда обмотка статора подключается по строгой очередности к положительным и отрицательным выводам выпрямителя.
Поскольку частота такта генератора довольно высокая, то в обмотке электродвигателя, обладающего индуктивным сопротивлением, происходит их сглаживание до синусоиды нормального вида.
Способы ШИМ управления позволяют максимально исключить потери энергии и обеспечивают высокий КПД преобразования за счет одновременного управления частотой и амплитудой. Они стали доступны благодаря развитию технологий управления силовыми запираемыми тиристорами серии GTO или биполярных марок транзисторов IGBT, обладающих изолированным затвором.
Принципы их включения для управления трехфазным двигателем показаны на картинке.
Каждый из шести IGBT-транзисторов подключается по встречно-параллельной схеме к своему диоду обратного тока. При этом через силовую цепь каждого транзистора проходит активный ток асинхронного двигателя, а его реактивная составляющая направляется через диоды.
Для ликвидации влияния внешних электрических помех на работу инвертора и двигателя в конструкцию схемы преобразователя частоты может включаться , ликвидирующий:
радиопомехи;
наводимые работающим оборудованием электрические разряды.
Их возникновение сигнализирует контроллер, а для уменьшения воздействия используется экранированная проводка между двигателем и выходными клеммами инвертора.
С целью улучшения точности работы асинхронных двигателей в схему управления частотных преобразователей включают:
ввода связи с расширенными возможностями интерфейса;
встроенный контроллер;
карту памяти;
программное обеспечение;
информационный Led-дисплей, отображающий основные выходные параметры;
тормозной прерыватель и встроенный ЭМС фильтр;
систему охлаждения схемы, основанную на обдуве вентиляторами повышенного ресурса;
функцию прогрева двигателя посредством постоянного тока и некоторые другие возможности.
Эксплуатационные схемы подключения
Частотные преобразователи создаются для работы с однофазными или трехфазными сетями. Однако, если есть промышленные источники постоянного тока с напряжением 220 вольт, то от них тоже можно запитывать инверторы.
Трехфазные модели рассчитываются на напряжение сети 380 вольт и выдают его на электродвигатель. Однофазные же инверторы питаются от 220 вольт и на выходе выдают три разнесенных по времени фазы.
Схема подключения частотного преобразователя к двигателю может быть выполнена по схемам:
звезды;
треугольника.
Обмотки двигателя собираются в «звезду» для преобразователя, запитанного от трехфазной сети 380 вольт.
По схеме «треугольник» собирают обмотки двигателя, когда питающий его преобразователь подключен к однофазной сети 220 вольт.
Выбирая способ подключения электрического двигателя к преобразователю частоты надо обращать внимание на соотношение мощностей, которые может создать работающий двигатель на всех режимах, включая медленный, нагруженный запуск, с возможностями инвертора.
Нельзя постоянно перегружать частотный преобразователь, а небольшой запас его выходной мощности обеспечит ему длительную и безаварийную работу.
Преобразование частоты – смещение спектра сигнала по шкале частот в ту или другую сторону, т. е. в область как более низких, так и более высоких частот. При таком смещении или переносе форма спектра не должна изменятся.
Пример преобразования частоты (амплитудная модуляция, детектирование). При формировании АМ сигнала спектр модулирующего сигнала, содержащего передаваемое сообщение, переносится в область более высоких частот для обеспечения возможности излучения получающего радиосигнала в виде электромагнитных волн в линию передачи. При детектировании радиосигнала его спектр также, переносится, но уже в обратную сторону – в область низких частот, что позволяет вновь выделить модулирующий сигнал, а, следовательно, и передаваемое сообщение. При этом, конечно требуется чтобы при таких преобразованиях форма сигнала выделяемого при детектировании совпадала с формой модулирующего сигнала при модуляции. Выполнение этого требования означает, что при подаче отсутствует искажения. Необходимым условием неискаженной передачи сообщения является сохранение формы спектра управляющего сигнала при его переносе как в область высоких частот (при модуляции), так и при обратном переносе в область низких частот (при детектировании).
Общий принцип, обеспечивающий преобразование частоты, состоит в том, что подлежащий преобразование сигнал умножается на гармонические колебание с частотой г. Это колебание должно быть получено с помощью специального генератора, называемого гетеродинным. Если в спектре сигнала содержится гармоника с частотой 0 , то при перемножении этих гармонических колебаний получим:
т. е. на выходе перемножителя появляется гармонические колебания с суммарной и разностной частотами, следовательно, каждая гармоника сигнала обуславливает появление на выходе перемножителя двух гармонических колебаний с суммарной и разностной частотами.
На рисунке схемы преобразования спектра АМ сигнала:
а) АМ сигнал
б) спектр АМ сигнала
в) сигнал гетеродина
г) спектр сигнала гетеродина
д) спектр сигнала на выходе перемножителя
е) амплитудно-частотная характеристика фильтра разностной частоты (или фильтр промежуточной частоты ФПЧ)
ж) сигнал на выходе фильтра разностной частоты.
Схема транзисторного преобразователя частоты.
В практических схемах преобразователей частоты используют нелинейные элементы (полупроводниковые диоды, транзисторы, электронные лампы). В данной схеме перемножителя выполняет транзистор, вернее его входная нелинейная цепь: переход база – эмиттер. Наилучшие условия для преобразования частоты получаются в том случае, если зависимость i б =(U б.э) квадратично, т. е.
i б = i б.э +а 1 U б.э + а 2 U б.э
В преобразователе напряжение U б.э пропорционально сумме напряжений сигнала S(t) и гетеродина U г (t), т. е. переменная составляющая этого напряжения:
U б.э (t) = S(t) + U г (t)
Подставив это выражение в (1) получим.
i б = i б. э +а 1 S(t) + а 2 U г (t)+а 2 S 2 (t)+2a 2 U г (t) S(t)+ а 2 U г (t)
Из всех слагаемых в этой формуле интерес представляет только одно - подчеркнутое, содержащее произведения напряжений гетеродина и сигнала.
Например, S(t) описывается функцией
S AM (t)=U m sin(t+)
(Амплитудно-модулированный сигнал)
а U г (t)= U m г sin(t+), то это слагаемое
2a 2 U г (t) S(t)= 2а 2 U m г sin(t+)*)=U m sin(t+)=
А 2 U m г U m {cos[- г)t+-]-cos[(- г)t++]}
Если контур в цепи коллектора транзистора настроить на промежуточную частоту пр = - г, то все остальные колебания с частотами , г, - г, 2, 2 г будет отфильтрованы. Составляющая тока коллектора разностной частоты - г обуславливает появление напряжения, на резонансном сопративлении контура u, следовательно на выходе преобразователя
