Бытовая радиоаппаратура

Содержание Введение

1.Структура, виды и параметры преобразователей, использующихся в бытовой РЭА

2.Типы преобразователей частоты

3.Использование электронно-оптических преобразователей в бытовой РЭА

4.Выбор промежуточной частоты и настройка и регулировка преобразователей частоты Заключение

Введение

Радиовещание — это передача населению по радиоканалам разнообразной информации, осуществляемая посредством совокупности технических средств электросвязи. Системы радиовещания должны обеспечивать возможно более полную передачу всего комплекса ощущений, свойственных естественному слушанию, пространственного впечатления, прозрачности и раздельности звучания, естественности тембров музыкальных инструментов и голосов, музыкального равновесия отдельных элементов сложного звукового образа и т. п.

Бытовая приемно-усилительная аппаратура (БПУА) — это комплекс электрических цепей, функциональных узлов и блоков, предназначенный для приема и преобразования сигналов радиовещания и звукового сопровождения телевизионного вещания. Любая БПУА имеет в своем составе радиоприемное устройство (радиоприемный тракт).

Бытовые радиоприемные устройства (РПрУ) предназначены для выделения полезных сигналов из принимаемого радиоизлучения и преобразования в вид, обеспечивающий использование содержащейся в них информации. Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и воспроизводящего (оконечного, выходного) устройства.

Приемная антенна воспринимает энергию электромагнитного поля принимаемых радиоволн и преобразует ее в энергию электрического поля, сосредоточенную во входных цепях радиоприемника.

В месте расположения приемной антенны электромагнитное поле формируется не только радиоволной, несущей необходимое сообщение, но и посторонними радиостанциями, промышленными источниками, электромагнитными процессами в атмосфере, космическими излучениями и т. д. Электромагнитные колебания различного происхождения, мешающие приему полезного сигнала и точному воспроизведению сообщений, называют помехами. Таким образом, от приемной антенны на вход радиоприемника поступает смесь полезного сигнала, несущего получателю искомое сообщение, и множество помех.

Для принятия сообщения радиоприемник (приемник) должен выполнять следующие основные функции:

v выделение полезного сигнала из спектра входных колебаний других радиостанций и помех (фильтрация сигнала);

v усиление принимаемого сигнала (мощность его на входе приемника весьма мала) за счет энергии местного источника питания;

v обработка принимаемого сигнала в целях уменьшения влияния помех;

v детектирование радиочастотного сигнала в целях извлечения колебаний, соответствующих передаваемому сообщению.

Приемник должен отличать полезный радиосигнал от помех по определенным признакам, присущим сигналам. Это свойство называется избирательностью или селективностью. Различий между радиосигналом, несущим информацию, и помехой может быть несколько, но в бытовой приемно-усилительной аппаратуре наиболее часто используется различие по частоте. В этом случае говорят о частотной избирательности приемника. Для осуществления частотной избирательности приемник содержит резонансные цепи, настроенные на частоту полезного сигнала.

Принятый радиосигнал подвергается усилению, преобразованию и детектированию в целях обеспечения нормальной работы воспроизводящего устройства. В оконечном устройстве (например, в акустической системе, наушниках или громкоговорителе) энергия выделенного сигнала используется для получения требуемого звукового эффекта. Воспроизводящее устройство может быть совмещено с приемником или представлять собой отдельное устройство.

В данной работе будут рассмотрены принципы работы преобразователей частоты в бытовой РЭА, причём основной упор будет сделан на электронно-оптические преобразователи.

1.Структура, виды и параметры преобразователей, использующихся в бытовой РЭА Преобразование частоты — это процесс линейного переноса спектра сигнала из одной радиочастотной области в другую. Чаще такой перенос осуществляется в низкочастотную область. Линейность этого процесса проявляется в том, что при преобразовании частоты вид модуляции и параметры сигнала в некотором динамическом диапазоне остаются неизменными, а коэффициент передачи ПЧ не зависит от уровня преобразуемого радиосигнала.

Преобразователи частоты являются важнейшими функциональными узлами приемно-усилительной аппаратуры и во многом определяют ее качественные характеристики.

Структура преобразователей частоты. Структурная схема ПЧ изображена на рис. 1. Преобразователь содержит нелинейный элемент и вспомогательный источник высокочастотного колебания, называемый гетеродином. Нелинейный элемент (диод, транзистор, электронная лампа), преобразующий колебания сигнала с помощью гетеродина, называют смесителем. В состав ПЧ входит также ЧИС, необходимая для выделения полезного продукта преобразования. В простейшем случае ЧИС представляет собой параллельный колебательный контур.

Рис. 1. Структурная схема преобразователя частоты и напряжения гетеродина В общем случае преобразование частоты можно рассматривать как результат перемножения напряжения сигнала с коэффициентом передачи АГпр. Очевидно, что выходное напряжение в результате преобразования будет иметь частотную компоненту с частотой, равной сумме частот сигнала и гетеродина, — fc +fT и составляющую с разностной частотой fnp = fc -/IВ случае f > f с говорят о верхней, а при f<�Ј — о нижней настройке гетеродина.

Приведенные соотношения показывают, что при изменении амплитуды или частоты сигнала закон этого изменения будет сохраняться в процессе преобразования.

Виды преобразователей частоты. По характеру проводимости нелинейного элемента различают преобразователи с активной и реактивной проводимостью.

Преобразователи частот с активной проводимостью выполняют на транзисторах и смесительных диодах. Напряжение гетеродина изменяется преимущественно в области прямого тока диода. В этом случае главную роль играет нелинейная проводимость диода, поэтому такой преобразователь называют резистивным диодным преобразователем.

При выполнении ПЧ на специальных параметрических диодах реализуются параметрические усилители-преобразователи. Напряжение гетеродина здесь изменяется преимущественно в области обратных токов диода (за счет напряжения смещения). Переменным параметром является емкость обратного смещения р—n-перехода диода. Такой преобразователь называется емкостным.

Если нелинейный элемент одновременно выполняет функции источника напряжения гетеродина и смесителя, то такая схема называется преобразователем частоты с совмещенным гетеродином или автодтным преобразователем. Поскольку оптимальные режимы работы активного элемента для генерирования и преобразования частоты неодинаковы, то лучшими характеристиками обладают преобразователи с отдельным гетеродином.

Параметры преобразователей частоты. В преобразователях частоты различают внешние и внутренние параметры. К внешним параметрам относятся:

коэффициент передачи преобразователя частоты Knр= Uр/Uс;

входная Y = Iс/ Uc и выходная Yвых = Iпр/ Unp проводимости;

коэффициент шума Ш пр.

Частотной характеристикой ПЧ называется зависимость его выходного напряжения (или коэффициента передачи) от частоты подаваемого на вход сигнала при постоянном значении частоты гетеродина.

Коэффициенты матрицы проводимости нелинейного элемента в режиме преобразования относят к внутренним параметрам преобразователя частоты.

2.Типы преобразователей частоты В зависимости от типа нелинейного элемента различают ПЧ на взаимных и невзаимных активных элементах.

К преобразователям на невзаимных активных линейных элементах относят ламповые и транзисторные преобразователи, у которых реакция выходного преобразованного напряжения на входной сигнал полностью или частично исключена.

На рис. 2, а показан преобразователь частоты на БТ. Схема преобразователя частоты практически не отличается от резонансного усилителя. Напряжение гетеродина подается в цепь эмиттера, а выходной контур LC настраивается на промежуточную частоту.

На рис. 2, б приведена схема смесителя на ПТ с двумя затворами и напряжение гетеродина подаются на разные затворы, чем достигается слабое взаимное влияние цепей преселектора и гетеродина. Амплитуда напряжения гетеродина не должна Рис. 2. Преобразователь частоты на биполярном (а) и полевом (б) транзисторах превышать напряжения смещения (обычно 1,.2 В). Достоинством смесителя на полевом транзисторе является также то, что его ВАХ описывается квадратичным законом.

На рис. 3 показана схема автодинного преобразователя, в котором функции гетеродина и смесителя совмещаются в одном биполярном транзисторе. Недостатком преобразователей с совмещенным гетеродином является возможность модуляции напряжения гетеродина промежуточной частотой и ее гармониками, что приводит к появлению на выходе приемников интерференционных помех.

На рис. 4 показана схема транзисторного балансного преобразователя частоты на основе дифференциального каскада. Коллекторное напряжение на транзисторы VT1 и VT2 подается через среднюю точку катушки индуктивности контура LKCK, настроенного на частоту/пр. Напряжение радиосигнала с контура преселектора LCCC через катушку связи Lсв прикладывается между базами транзисторов VT1 и VT2, что обеспечивает противофазность преобразуемых сигналов.

Рис. 3. Схема автодинного преобразователя частоты Рис. 4. Схема транзисторного балансного преобразователя частоты

Напряжение гетеродина с частотой Ј пода-тся на базу транзистора VT3, что обеспечивает синфазность модуляции транзисторов VT1 и VT2.

Существуют и другие варианты транзисторных балансных преобразователей, общий принцип построения которых состоит в том, что одно из напряжений сигнала или гетеродина создает в нагрузке синфазные токи, а второе — противофазные токи. Происходит компенсация одного из напряжений и в результате оно отсутствует в нагрузке. Чаще всего подавляются колебания гетеродина.

Сигнал и напряжение гетеродина можно подавать на один и тот же электрод транзистора (базу или затвор) или на разные электроды (базу и эмиттер, показанные на рис. 2, а, или затвор и исток). При подаче на разные электроды ослабляется связь между цепями преселектора и гетеродина, что способствует уменьшению излучения гетеродина антенной приемника и повышению стабильности частоты гетеродина. Наиболее часто напряжение гетеродина подают в цепь эмиттера (истока), поскольку в этом случае устойчивость работы смесителя выше. При подаче напряжения гетеродина в цепь базы требуется меньшая мощность и достигается большая крутизна преобразователя. В цепь коллектора включают нагрузку смесителя — колебательный контур или фильтр сосредоточенной селекции.

Напряжение гетеродина для смесителей на биполярных транзисторах обычно выбирается в пределах 100… 200 мВ. Напряжение менее 50 мВ можно подавать только в схемах с отдельным гетеродином при необходимости получения очень малых значений амплитуд комбинационных составляющих. В схемах с совмещенным гетеродином при низких уровнях напряжения генерация колебаний может быть неустойчивой. В большинстве случаев оптимальным условием является амплитуда колебаний напряжения гетеродина 100 мВ и ток в рабочей точке 0,5 мА, что обеспечивает минимальный коэффициент шума. При повышении напряжения гетеродина коэффициент передачи несколько увеличивается, однако в большей степени возрастают шумы.

Транзисторные преобразователи применяются в основном в диапазоне умеренно высоких частот. Нелинейный элемент (транзистор) такого преобразователя является невзаимным или обладающим слабой взаимностью. В этом случае реакция нагрузки на источник сигнала практически исключена. Это обстоятельство обусловливает особенности процесса преобразования и методы количественной оценки параметров транзисторных преобразователей частоты.

К преобразователям на взаимных активных нелинейных элементах относятся главным образом диодные ПЧ. Отличительной особенностью таких преобразователей является идентичность коэффициентов преобразования в прямом и обратном направлениях. Это обстоятельство существенно усложняет анализ процесса преобразования и накладывает дополнительные требования к выходным избирательным цепям.

Диодные преобразователи применяются преимущественно в диапазоне СВЧ и в миллиметровом диапазоне волн. Это объясняется малым уровнем собственных шумов кристаллических диодов, малыми внутренними паразитными реактивностями, малогабаритностью и экономичностью работы.

Нелинейный элемент однотактного диодного преобразователя частоты (рис. 5) размещается между фильтрами верхних и нижних частот, что обеспечивает развязку сигнальной цепи и цепи преобразования частоты. Напряжение гетеродина вводится в сигнальную цепь через элемент связи, в качестве которого может быть использован направленный ответвитель или фильтр.

В отличие от транзисторных преобразователей частоты, в которых проявляется лишь эффект прямого преобразования частоты, в диодных преобразователях наблюдается эффект обратного преобразования частоты. Напряжение промежуточной частоты при этом вызывает напряжение с частотой сигнала fc=fT-fnp. Эффект обратного преобразования частоты, таким образом, является следствием полной взаимности нелинейного элемента. Кроме этого явления в диодном преобразователе возникает эффект вторичного преобразования, проявляющийся в том, что на входе преобразователя возникает напряжение на частоте f зк. Эта спектральная составляющая называется частотой зеркального канала и располагается симметрично частоте сигнала относительно частоты гетеродина. Зеркальная частота получается также за счет взаимодействия частоты сигнала со второй гармоникой частоты гетеродина: f3. K=2fr-fcВзаимодействие сигнальной и зеркальной частот является причиной фазовых искажений и неравномерности основных параметров преобразователя в диапазоне рабочих частот.

Нелинейный элемент в виде диода обладает полной взаимностью: коэффициент передачи в прямом и обратном направлениях одинаков.

В качестве нелинейного элемента в диодных ПЧ могут быть использованы точечные, туннельные, обращенные диоды и диоды с барьером Шотки. Из-за малой энергетической прочности и технологических трудностей изготовления туннельные и обращенные диоды не нашли применения в БПУА. Преобразователь на диодах с барьером Шотки отличается высокой надежностью работы, низким значением относительной шумовой температуры, хорошей повторяемостью параметров при массовом производстве, что и обеспечивает их широкое применение в БПУА.

Рис. 5 Схема однотактного диодного преобразователя частоты

3.Использование электронно-оптических преобразователей в бытовой РЭА В последнее время в бытовой РЭА используются преобразователи с элементами электронной оптики. После прохождения оптики световой поток попадает на регистрирующий элемент — электронно-оптический преобразователь (ЭОП). В основном в этих целях используются матрицы ПЗС — приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появляются даже на профессиональных моделях, подавляющее большинство любительских фотоаппаратов оснащены именно П3Сматрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобразовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точнее — р-n-переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рассматривать ее в рамках данной работы. Вкратце принцип устройства и функционирования П3С-матриц сводится к следующему.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупроводника n-типа. Сверку наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала последний генерирует электрон, который хранится в потенциальной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может накопить потенциальная яма, тем больший диапазон освещенности можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависим динамический диапазон. Все, что требуется сделать, — считать значение этого заряда и усилить его.

Рис 6. Элемент ПЗС — матриц.

Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким устройством можно считать значение строки ПЗС-элементов. В нашем же случае требуется определить заряд каждого из элементов матрицы. При этом используется способность ПЗС к перемещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под соседнего электрода, в свою очередь, смещается под слёдующий электрод и так далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы, подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига. Поэтому используются два дополнительных устройства: во-первых, управляющая микросхема, обеспечивающая подачу импульсов на электроды матрицы, и во-вторых, тактовый генератор.

Одним из первых типов ЭОП были полнокадровые ПЗС-матрицы. После того как отработал затвор фотоаппарата и все пикселы накопили заряд, эквивалентный световому потоку, упавшему на них, происходит процесс считывания зарядов.

Рис. 7. Полнокадровая матрица.

4.Выбор промежуточной частоты и настройка и регулировка преобразователей частоты преобразователь частота электронный оптический Правильный выбор промежуточной частоты fпр позволяет получать высокие показатели качества приемника. Промежуточная частота приемника не должна выбираться в диапазоне рабочих частот мощных радиостанций. Это уменьшает возможность приема помех по каналу прямого прохождения промежуточной частоты.

Полоса пропускания УПЧ должна достигаться простыми техническими средствами. С этой точки зрения предпочтение следует отдавать монолитным фильтрам сосредоточенной селекции. Если качество избирательных средств УПЧ предполагает использование ЈС-фильтров, то следует учесть, что значения добротностей ограничены конструктивными возможностями. В диапазоне умеренных частот от 100 кГц до 30 МГц конструктивная добротность катушек бконстр обычно составляет 80… 120 и не превышает 200. Значения добротностей на более низких частотах составляют 20…80, а на более высоких частотах — 80… 180.

Рис. 8. Расположение частот основного и зеркального каналов приема при низкой (а) и высокой (б) промежуточных частотах На рис. 8 показано расположение частот основного зеркального каналов приема при низкой (а) и высокой (б) промежуточных частотах. Увеличение промежуточной частоты повышает избирательность по зеркальному каналу. Однако следует учитывать, что повышение промежуточной частоты приведет к уменьшению избирательности по соседнему каналу. Кроме того, на высокой промежуточной частоте трудно получить высокий устойчивый коэффициент усиления и сложно обеспечить узкую полосу пропускания.

Для повышения избирательности вещательных приемников применяют двойное преобразование частоты.

Для получения высокой избирательности по зеркальному каналу необходимо увеличивать количество контуров преселекто-ра, повышать их добротность и значения промежуточной частоты. Значение промежуточной частоты и допустимое отклонение от нее следует выбирать согласно ГОСТ 5651–89 из ряда (0,076±0,006), (0,465±0,002), (1,84±0,008), (2,9±0,01), (10,7±0,01), (24,975±0,1) МГц.

Главным отличительным признаком преобразователя частоты является наличие трех цепей переменного тока с различными частотами:

v сигнальной, идущей от антенны и имеющей частоту

v гетеродинной, получающей напряжение от гетеродина, с частотой fr;

v нагрузочной, включаемой в выходную цепь активного элемента и настроенной на частоту fnp.

Различие частот этих цепей легко установить по параметрам имеющихся в них контуров. В соответствии с этим можно указать еще на две отличительные особенности схемы каскада ПЧ:

1. Наличие гетеродина с положительной обратной связью. Конденсатор переменной емкости, настраивающий контур гетеродина, является составной частью блока конденсаторов. В контуре гетеродина длинноволновых и коротковолновых приемников почти всегда имеются конденсаторы сопряжения настройки.

2. В выходную цепь преобразовательного элемента включены контуры, настроенные на постоянную частоту (промежуточную), причем очень часто нагрузкой преобразователя частоты служат полосовые фильтры из двух связанных контуров. В телевизионных приемниках нагрузкой ПЧ может быть одиночный резонансный контур. В целях расширения полосы пропускания этот контур обычно шунтируется активным сопротивлением 1… 5 кОм. Это позволяет отличить контур промежуточной частоты от сигнальных контуров, которые в этих приемниках, как правило, имеют только элемент подстройки частоты (подвижный сердечник или подстро-ечный конденсатор). При этом преобразовательный каскад будет первым от антенны, имеющим нагрузку, настроенную на промежуточную частоту.

Преобразовательный каскад лучше всего настраивать с помощью ГСС и вольтметра. Перед настройкой нагрузочных контуров замыкают накоротко контур гетеродина, чтобы сорвать его колебания и исключить попадание комбинационных составляющих в каскады УПЧ. Преобразователь превращается в обычный усилитель. Затем исключают действие системы АРУ, замкнув накоротко конденсатор фильтра АРУ. Далее подключают ГСС на вход активного элемента 1-го каскада УПЧ и настраивают ГСС по максимуму показаний вольтметра, включенного на выход приемника. Это обеспечит точное совпадение настройки нагрузочных контуров ПЧ с настройкой последующих каскадов приемника, настроенных ранее. Частоту ГСС следует устанавливать при минимальном напряжении на его выходе, при котором еще можно производить отсчеты по шкале вольтметра. Это необходимо для того, чтобы избежать перегрузки последних каскадов УПЧ и возможной вследствие этого неточной установки частоты ГСС.

Установив частоту ГСС, его выход переключают на сигнальный вход ПЧ и настраивают нагрузочные контуры каскада по максимуму показаний вольтметра так же, как и каскадов УРЧ. Эту операцию также ведут при минимальном выходном напряжении ГСС.

Заключение

По данной работе можно сделать выводы:

1. Преобразование частоты — это процесс линейного переноса спектра сигнала из одной радиочастотной области в другую. Чаще такой перенос осуществляется в низкочастотную область. Линейность этого процесса проявляется в том, что при преобразовании частоты вид модуляции и параметры сигнала в некотором динамическом диапазоне остаются неизменными, а коэффициент передачи ПЧ не зависит от уровня преобразуемого радиосигнала.

Преобразователи частоты являются важнейшими функциональными узлами приемно-усилительной аппаратуры и во многом определяют ее качественные характеристики.

2.Принцип устройства и функционирования электронно-оптических преобразователей сводится к следующему. В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупроводника n-типа. Сверку наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала последний генерирует электрон, который хранится в потенциальной яме. Чем больше электронов может накопить потенциальная яма, тем больший диапазон освещенности можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависим динамический диапазон.

1. Бытовая приёмная радиоусилительная литература/ под ред. К. Е. Румянцева. М.: Академия, 2003 — 304 с.

2. Веселовский О. Н., Браслимский Л. М. Основы электротехники и электротехнические устройства радиоэлектронной аппаратуры.— М., Энергоиздат, 1977 — 464 с

3. Общая электротехника /под ред. А. Т. Блажкина.- Л: Лениздат, 1979 — 328 с.

4. Основы промышленной электроники/ Под ред. В. Г. Герасимова. — М.: Энергоиздат, 1978 — 512 с.