Статья: ПОДВІЙНА ДВОТАКТНА СХЕМА

Подвійна двотактна схема перетворювача (мал.2.8) являє собою дві двотактні схеми, накладені один на одного. Для нормальної роботи схеми необхідна можливо більш повна ідентичність характеристик усіх чотирьох нелінійних елементів, включення яких повинно бути таким, як зазначено на мал.2.8, чи зворотним.

eKh® -

Аналіз роботи схеми показує, що в даному випадку на виході її буде відсутня як несуча частота ω, так і частота сигналу Ω. Внаслідок симетричності схеми відносно середніх точок с і d трансформаторів подані на них електричні коливання несучої частоти ω не будуть з’являться на виході. Якщо характеристики не лінійних елементів будуть однаковими, то при любій напрузі, яка подана з трансформатора Тр1, спадання напруги на нелінійних елементах 1 і 2, а також відповідно на елементах 4 і 3, будуть рівні один одному і, отже, різниці потенціалів між крапками a, b, c і d не буде. Тому напруги, подані на трансформатор Тр1, ніякого струму в трансформаторі Тр2 не створять.

Напруга частоти ω закриває або відкриває нелінійні елементи. При цьому, коли відкритими виявляються елементи 1 і 3, закритими будуть елементи 4 і 2, і навпаки. Таким чином, дія моста з нелінійних елементів зводиться до комутації струму сигналу, що йде від трансформатора Тр1, причому через вихідний трансформатор струм сигналу йде те в прямому, то в зворотному напрямку, змінюючись з частотою ω.

Графічне зображення струму на виході розглянутої схеми дане на рис.2.9.

Рис.2.9

Характер отриманої кривої показує, що на виході з’являються головним чином коливання двох бокових частот ω + Ω и ω — Ω. Ламаний характер кривої вказує на існування на виході перетворювача також і ряду других ВЧ складових.

Правильність зроблених висновків можна підтвердити аналітично. Напруги на кожнім нелінійному елементі (див. мал.2.8) будуть:

Ul = _а cosΩt + Uωcosωt; u3 = —- cosΩt + UωCosωt;

2 2

u2 = — cosΩt — Uωcosωt; u4 = —^ cosΩt — UωCosωt. (8)

2 2

Результативний струм iвых. в вихідному трансформаторі:

вых = 1'вых. + 1«вых. = 2ЬиΩиωсо8(ω ± Ω)t. (9)

Отриманий результат підтверджує правильність зроблених раніше виводів. При використанні в ході аналізу роботи кільцевої схеми виразу

i = au + bu2

передбачалося, що до нелінійного елемента підводяться невеликі напруги, і що, отже, аналізується тільки квадратична ділянка його характеристики. Це допущення було зроблено для спрощення висновків. Однак, як правило, нелінійні елементи працюють при великих амплітудах несучої частоти ω. Якби були враховані вищі ступені розкладання, то спектр частот на виході перетворювача містив би ще ряд інших ВЧ складових.

Загальний спектр частот, практично створюваний кільцевою схемою, представлене на рис.2.10.

Рис.2.10

Як видно зі спектрограми, кільцева схема дає найкращі результати в порівнянні з усіма приведеними вище схемами як у відношенні спектра частот, так і у відношенні амплітуд корисних коливань, що з'являються на її виході. Як і проста двотактна схема, кільцева схема дозволяє живити кілька перетворювачів від великого генератора несучої частоти.

Завдяки перевагам перед іншими схемами перетворювачів кільцева схема одержала дуже велике поширення; вона використовується в сучасних системах апаратури ВЧ ущільнення. Цікавий випадок, коли на трансформатори Тр1 и Тр2 кільцевої схеми подаються одинакові частоти Ω с однаковими амплітудами UΩ, але з різними фазами φ1 и φ2. Розглядаючи подвійну двотактну схему як дві накладені один на одного двотактні схеми й аналізуючи кожну з них так, як це показано вище, неважко одержати сумарну постійну складову струму, що з'являється в середніх крапках с и d:

I = — bUΩ2cos(φ1 – φ2). (10)

З співвідношення (10) витікає, що, коли різниця фаз φ = φ1 – φ2 змінюється від 0 до π, постійна складова змінюється відповідно від -bUΩ2 до bUΩ2. Це дозволяє використовувати дану схему для різниці фаз двох електричних коливань.

Аналіз роботи схеми показує, що на її виході буде відсутня як несуча частота ω, так і частота сигналу Ω. Внаслідок симетричності схеми відносно середніх точок c, d трансформаторів Тр1 і Тр2, подана на них несуча частота ω не буде з’являться на виході. Якщо характеристики нелінійних елементів будуть однаковими, то при будь-якій напрузі, поданій із трансформатора Тр1, спадання напруги на нелінійних елементах будуть рівні один одному і, отже, різниці потенціалів між крапками a, b, c, d трансформаторів не буде і, відповідно, струм у трансформаторі Тр2 буде дорівнює 0. Кільцеве розташування нелінійних елементів дає можливість називати таку схему кільцевою. Напруга частоти ω або закриває, або відкриває діоди. При цьому, коли відкритими виявляються елементи Д1 і Д3, закритими будуть Д4 і Д2, і навпаки. Дії моста з нелінійних елементів зводиться до комутації струму сигналу від трансформатора Тр1, причому через вихідний трансформатор Тр3 струм сигналу йде то в прямому, то в зворотному напрямку, змінюючись з частотою ω.

Напруга на кожному нелінійному елементі можливо представити:

U1 = UΩ/2*cosΩ + Uωcosωt;

U2 = UΩ/2*cosΩt — Uωcosωt;

U3 = -UΩ/2*cosΩt + Uωcosωt;

U4 = -UΩ/2*cosΩt — Uωcosωt. (11)

Струми в ланцюгах нелінійних елементів відповідно будуть:

i = aU1 + bU12;

i = aU4 + bU42. (12)

Після перетворення результатуючого струму iвых. в вихідному трансформаторі Тр3 буде:

iвых. = 2b UΩUωcos(ω + Ω)t. (13)

Амплітуди струмів бічних частот у даній схемі вийшли вдвічі більше, ніж у попередній. Загальний спектр частот, створюваний кільцевою схемою показаний на мал. 2.11.

Кільцева схема дає найкращі результати в порівнянні з іншими схемами перетворювача. Схему кільцевого перетворювача можна використовувати для виміру різниці фаз двох електричних коливань. Для цього на вихід трансформаторів Тр1 і Тр2 подаються одинакові частоти Ω = ω з однаковими амплітудами UΩ, але з різними фазами φ1 і φ2.

Розглядаючи подвійну двотактну схему, як дві покладені один на одного двотактні схеми й аналізуючи кожну з них з урахуванням виражень (11 — 13), можна одержати сумарну постійну складову струму, що дозволяється в середніх крапках с і d (рис 8):

Y = — bUΩ2cos(φ1 – φ2). (14)

З співвідношення (14) слідує, що, коли різниця фаз φ = φ1 – φ2 змінюється в межах від 1 до 11, постійна складова з’являється відповідно в межах від (-bUΩ2) до (UΩ2).

Це дозволяє використовувати схему перетворювача для виміру різниці фаз двох електричних коливань, тобто для систем фазової характеристики системи передачі.

На лицьовій панелі стенда представлені три схеми перетворювачів частоти (однотактна, двотактна і подвійна двотактна).

Однотактна схема перетворювача частоти виконана на напівпровідниковому діоді КД 521 (контрольні крапки К3 — К4) і містить три узгоджуючі трансформатори Тр1, Тр2, Тр3. Для формування вихідного сигналу до відповідного входам і виходу перетворювача підключений: генератор тональної частоти Г1, генератор несучої частоти Г2, підсилювальний вихідний каскад Вус1.

Генератор тональної частоти Г1 виробляє синусоїдальний сигнал з частотою, що входить у стандартний телефонний спектр частот 300 — 3400 Гц. Генератор виконаний на інтегральній мікросхемі. Емітерний повторювач зібраний на транзисторі КТ 815 і погодить вихід мікросхеми з низькоомним навантаженням трансформатора Тр1.

Рис.2.11

Генератор несучої частоти виконаний на транзисторі структури n-p-n типу КТ 3102 з частотно-виборчим контуром LC. Вихідний сигнал з генератора несучої частоти подається на буферний підсилювач, у емітерний ланцюг якого включений трансформатор, що погодить, Тр2. Несучу частоту генератора 448 кГц за допомогою підстроєчного елементу можна змінити в досить широкому діапазоні (більш 20 %).Перетворений сигнал з виходу нелінійного елемента (діода КД 524) через трансформатор, що погодить, Тр3 надходить на вхід підсилювача Вус1.Двотактна схема перетворювача частоти виконана на двох транзисторах n-p-n структури типу КТ 3102. Для формування вихідного сигналу перетворювача частоти до відповідного входам і виходу перетворювача підключений: генератор тональної частоти Г3, генератор несучої частоти Г4, що погодить трансформатор Тр4, вихідний трансформатор Тр5, вихідний підсилювач Вус і фільтр Ф.Генератор тональної частоти Г3 виконаний, як і для однотактної схеми перетворювача, на мікросхемі. З генератора Г3 сигнал тональної частоти 2,8 кГц надходить на первинну обмотку трансформатора, що погодить, Тр4, а потім у базові ланцюги транзисторів перетворювача частоти.

Kit

Kit

Рис.2.12

Генератор несучої частоти Г4 зібраний на основі комплементарних польових транзисторів зі структурою метал-окисел-напівпровідник (КМОП), що включає в себе три логічних елементи 3ИЛИ-НІ, серія ДО561 ЛЕ10. Генератор Г4 виробляє прямокутні імпульси з частотою 64 кГц.

Перемінним резистором R 33 кому можна змінювати несучу частоту генератора в широких межах. Сигнал несучої частоти U? с виходу генератора Г4 надходить у базові ланцюги транзисторів перетворювача частоти. Транзисторний перетворювач виконаний на основі схеми електронних ключів. Напруга несучої частоти U? одночасно чи закриває відкриває обох транзисторів перетворювача. Колекторні струми транзисторів будуть протікати через первинну обмотку вихідного трансформатора Тр5 тільки в ті моменти часу, коли обоє транзистора відкриті. У випадку, коли транзистори закриті, струм сигналу через трансформатор Тр5 не протікає. На виході двотактної схеми перетворювача частоти після фільтрації (контрольна точка К15) електричний сигнал являє в основному суму електричних коливань двох частот. В цьому сигналі є верхня (ω + Ω) и нижня (ω – Ω) бокові частоти, присутні високочастотні складові, але відсутня несуча частота ω. Це дозволяє здійснити живлення декількох перетворювачів частот від загального генератора несучої частоти. Така якість дає істотний виграш стосовно однотактної схеми перетворювача частоти.

Подібну схему двотактного балансового модулятора можна застосовувати в системі без несучої частоти.

Подвійна двотактна схема перетворювача частоти, чи кільцева, виконана на спеціалізованій інтегральній мікросхемі К174 ПС1. Для формування вихідного сигналу перетворювача частоти до відповідного входам і виходам перетворювача підключений: генератор несучої частоти Г5, генератор частоти, що модулює, Г6, вихідний підсилювач Вус3, фільтр Ф. Мікросхема К174 ПС1 являє собою подвійний балансовий змішувач для частот до 200 МГЦ і призначена для перетворення частот УКВ — діапазону в зв'язковий і радіоприймальній апаратурі.

Основним вузлом мікросхеми є зчетверений диференціальний підсилювач з перехресними зв'язками на транзисторах VT1 — VT6. При подачі напруг з різними частотами на бази транзисторів VT2 і VT5 регулюються емітерні струми. Режим транзисторів по постійному струмі задається стабілізатором напруги R7, VD1 — VD4. З його через резистори R3 і R4 подається зсув на транзистори диференціальних пар, а через резистори R5 і R6 — на транзистори VT2 і VT5. Використовуючи висновки 10 і 12, можна включити резистор між емітерами транзисторовVT2 і VT5 і з його допомогою установити необхідний масштабний коефіцієнт передачі. Включенням між цими ж висновками конденсатора З можна коректувати частотну характеристику крутості перетворення. Висновки 7 і 8 призначені для подачі опорної напруги на диференціальні пари транзисторів, а висновки 11 і 13 — для подачі керуючих напруг на транзистори VT2 і VT5. Резонансне чи резистивне навантаження підключається до виводів 2 і 3. На ній виділяється вихідна диференціальна напруга, пропорційне добутку двох вхідних напруг.

Робота перетворювача полягає в наступному: напруга несучої частот ω (К16) чи закриває відкриває нелінійні елементи — транзистори. При цьому, коли відкритими виявляються елементи VT2 і VT5, закритими будуть елементи VT1 і VT4, і навпаки. Таким чином, дія нелінійних елементів зводиться до комутації струму сигналу Ω, що іде від трансформатора Тр6, причому струм сигналу йде те в прямому, то в зворотному напрямку, змінюючись з частотою ω. Результуючий сигнал на виході перетворювача частоти (контрольні крапки ДО23, ДО24) буде представляти в основному коливання двох бокових частот при відсутності як несучої частоти ω, так і частоти модулюючого сигналу Ω. Для нормальної роботи схеми необхідна можливо більш повна ідентичність характеристик усіх чотирьох нелінійних елементів ( чи транзисторів діодів).

ЛІТЕРАТУРА

1.Багатоканальний зв’язок на залізничному транспорті / В.Л.Тюрін, 1992. 427 с.

2.Апаратура ІКМ-120 / А.Н.Голубєв, Ю.П.Іванов, Л.С.Левин. Під ред. Ю.П.Іванова. М.: Радіо і зв'язок, 1989. 256 с.