Частотно-модулированный генератор

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве источника колебаний с управляемой частотой в радиопередающих устройствах, измерительной технике. Достигаемый технический результат - уменьшение уровня паразитной амплитудной модуляции. Частотно-модулированный генератор содержит автогенератор, включающий транзистор, первый резистор, нагрузочный резистор, первый конденсатор, стабилитрон, второй конденсатор, первую ветвь колебательного контура, состоящую из последовательно соединенных третьего конденсатора, катушки индуктивности, варикапа, кварцевого резонатора, второй, третий, четвертый резисторы, вторую ветвь колебательного контура, содержащую четвертый и пятый конденсатор, управляющую цепь, состоящую из источника управляющего сигнала, шестого конденсатора, шестого резистора, дополнительную управляющую цепь, состоящую из развязывающего каскада, трансформатора и седьмого конденсатора, при этом первичная обмотка трансформатора через развязывающий каскад соединена с выходом источника управляющего сигнала. 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве источника колебаний с управляемой частотой, в частности для получения частотно-модулированных колебаний в радиопередающих устройствах, устройствах телемеханики и измерительной технике.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является частотно-модулированный генератор с пьезорезонатором (кварцевым резонатором) [1], содержащий автогенератор, включающий первый резистор, первый вывод которого подключен к источнику напряжения питания, транзистор, нагрузочный резистор, второй вывод которого подсоединен к коллектору транзистора, первый конденсатор и стабилитрон, соединенные параллельно и подключенные ко второму выводу первого резистора, второй конденсатор, включенный между точкой соединения второго вывода нагрузочного резистора с коллектором транзистора и выходом устройства, первую ветвь колебательного контура, состоящую из последовательно соединенных третьего конденсатора, катушки индуктивности, варикапа, кварцевого резонатора и включенную между базой транзистора и общей точкой, второй резистор, включенный между базой транзистора и вторым выводом первого резистора, третий резистор, включенный между базой транзистора и общей точкой, четвертый резистор, включенный между точкой соединения варикапа с кварцевым резонатором и вторым выводом первого резистора, вторую ветвь колебательного контура, состоящую из последовательно соединенных четвертого и пятого конденсаторов, включенную между базой транзистора и общей точкой, при этом точка соединения этих конденсаторов подключена к эмиттеру транзистора, пятого резистора, включенного между эмиттером транзистора и общей точкой, и управляющую цепь, состоящую из последовательно соединенных источника управляющего сигнала, шестого конденсатора и шестого резистора, подключенного к точке соединения варикапа с кварцевым резонатором.

Недостатком известного устройства является большой уровень паразитной амплитудной модуляции при изменении уровня модулирующего сигнала, обусловленной изменением амплитуды высокочастотного тока, протекающего через контур автогенератора, а следовательно, и амплитуды напряжения на нем в следствии изменения потерь как в варикапе, так и кварцевом резонаторе.

Изобретение направлено на уменьшение уровня паразитной амплитудной модуляции.

Это достигается тем, что в частотно-модулированный генератор, содержащий автогенератор, включающий первый резистор, первый вывод которого подключен к источнику напряжения питания, транзистор, нагрузочный резистор, второй вывод которого подсоединен к коллектору транзистора, первый конденсатор и стабилитрон, соединенные параллельно и подключенные ко второму выводу первого резистора, второй конденсатор, включенный между точкой соединения второго вывода нагрузочного резистора с коллектором транзистора и выходом устройства, первую ветвь колебательного контура, состоящую из последовательно соединенных третьего конденсатора, катушки индуктивности, варикапа, кварцевого резонатора и включенную между базой транзистора и общей точкой, второй резистор, включенный между базой транзистора и вторым выводом первого резистора, третий резистор, включенный между базой транзистора и общей точкой, четвертый резистор, включенный между точкой соединения варикапа с кварцевым резонатором и вторым выводом первого резистора, вторую ветвь колебательного контура, состоящую из последовательно соединенных четвертого и пятого конденсаторов, включенную между базой транзистора и общей точкой, при этом точка соединения этих конденсаторов подключена к эмиттеру транзистора, пятого резистора, включенного между эмиттером транзистора и общей точкой, и управляющую цепь, состоящую из последовательно соединенных источника управляющего сигнала, шестого конденсатора и шестого резистора, подключенного к точке соединения варикапа с кварцевым резонатором, введена дополнительная управляющая цепь, состоящая из развязывающего каскада, трансформатора, содержащего первичную и вторичную обмотки, и седьмого конденсатора, включенного между первым выводом нагрузочного резистора и вторым выводом первого резистора, при этом вторичная обмотка трансформатора подсоединена параллельно седьмому конденсатору, а его первичная обмотка через развязывающий каскад соединена с выходом источника управляющего сигнала.

На чертеже приведена схема частотно-модулированного генератора.

Частотно-модулированный генератор содержит автогенератор, включающий первый резистор 3, первый вывод которого подключен к источнику напряжения питания, транзистор 1, нагрузочный резистор 2, второй вывод которого подсоединен к коллектору транзистора 1, первый конденсатор 4 и стабилитрон 5, второй конденсатор 6, третий конденсатор 7, катушку индуктивности 8, варикап 9, кварцевый резонатор 10, второй резистор 11, третий резистор 12, четвертый резистор 13, четвертый конденсатор 14 и пятый конденсатор 15, пятый резистор 16, управляющую цепь, состоящую из последовательно соединенных источника управляющего сигнала 17, шестого конденсатора 18 и шестого резистора 19 и дополнительную управляющую цепь, состоящую из развязывающего каскада 20, трансформатора 21 и седьмого конденсатора 22, включенного между первым выводом нагрузочного резистора 2 и вторым выводом первого резистора 3, при этом вторичная обмотка этого трансформатора подключена параллельно седьмому конденсатору 22, а первичная обмотка трансформатора 21 через развязывающий каскад 20 соединена с выходом источника управляющего сигнала 17.

Частотно-модулированный генератор работает следующим образом. При включении источника питания Е_п на коллектор транзистора 1, на котором выполнен автогенератор, через первый резистор 3, вторичную обмотку трансформатора 21 и нагрузочный резистор 2 подается напряжение питания. Одновременно с этим от этого источника на базу транзистора 1 через первый резистор 3 с помощью резистивного делителя напряжения, образованного вторым резистором 11 и третьим резистором 12, подается отпирающее напряжение смещения, а на катод варикапа 9 через четвертый резистор 13 подается запирающее напряжение смещения. Стабилизация подаваемого постоянного напряжения на коллектор и базу транзистора 1, а также на катод варикапа 9 осуществляется параметрическим стабилизатором напряжения, образованным первым резистором 3 и стабилитроном 5. С помощью первого конденсатора 4 обеспечивается заземление коллектора транзистора 1 по высокой частоте.

Такое исходное состояние схемы обеспечивает условия для мягкого возбуждения автоколебаний в контуре автогенератора, образованного емкостями пятого конденсатора 15, четвертого конденсатора 14, третьего конденсатора 7, емкостью варикапа 9, индуктивностью катушки индуктивности 8 и кварцевым резонатором 10. Путем выбора номиналов емкостей четвертого конденсатора 14 и пятого конденсатора 15 обеспечивается необходимое значение коэффициента обратной связи, при котором колебания в контуре нарастают по амплитуде. Возникшее при этом напряжение автоматического смещения на пятом резисторе 16 приводит к установлению стационарного режима синусоидальных колебаний с постоянной амплитудой и генерируемой частотой ω_г, определяемой частотой последовательного резонанса кварцевого резонатора 10. При этом стабильность частоты колебаний определяется потерями как в варикапе 9, так и в кварцевом резонаторе 10.

Выходную цепь устройства образуют элементы, включенные между эмиттером и коллектором транзистора 1, состоящую из пятого конденсатора 15, первого конденсатора 4, седьмого конденсатора 22 и нагрузочного резистора 2. По этой цепи протекает выходной ток транзистора 1, который на нагрузочном резисторе 2 создает высокочастотное напряжение, передаваемое через второй конденсатор 6 на выход устройства.

Частотная модуляция осуществляется следующим образом. Управляющий сигнал u_y, вырабатываемый источником управляющего сигнала 17, передается на варикап 9 через шестой конденсатор 18 и шестой резистор 19. В результате пропорционально амплитуде напряжения u_y начинает изменяться емкость этого варикапа, что приводит к изменению частоты генерируемого колебания в соответствии с изменением емкости варикапа 9, т.е. происходит частотная модуляция. Однако при изменении уровня управляющего напряжения u_y наряду с изменением емкости варикапа 9, обуславливающей эффект частотной модуляции, происходит и значительное изменение потерь в варикапе 9 и в кварцевом резонаторе 10, что приводит к значительному изменению амплитуды тока, протекающего через контур автогенератора, нагрузочный резистор 2. В результате этого происходит изменение амплитуды напряжения на нагрузочном резисторе 2, с которого оно передается на выход устройства, что приводит к появлению паразитной амплитудной модуляции.

Таким образом, при воздействии управляющего напряжения u_y на варикап 9, наряду с частотной модуляцией, являющейся полезным эффектом, появляется и сопутствующая паразитная амплитудная модуляция.

Одновременно с этим в выходную цепь транзистора 1 подается дополнительное управляющее напряжение u_удоп. Это напряжение также создается источником управляющего сигнала 17 и далее через развязывающий каскад 20 происходит передача его во вторичную обмотку трансформатора 21. В результате воздействия этого напряжения на высокочастотный сигнал, создаваемый автогенератором, происходит амплитудная модуляция тока, протекающего через коллектор транзистора 1 и через нагрузочный резистор 2. Поэтому через нагрузочный резистор 2 протекает промодулированный по амплитуде ток как за счет изменения потерь в контуре, обусловленных изменением уровня напряжения u_y, вызывающим эффект паразитной амлитудной модуляции, так и вследствие осуществления дополнительной амплитудной модуляции этого тока напряжением u_удоп, введенным через трансформатор 21. Оба эти эффекта амплитудной модуляции на нагрузочном резисторе 2 складываются с учетом начальных фазовых сдвигов u_y и u_удоп. Однако для устранения эффекта паразитной амплитудной модуляции необходимо, чтобы сигналы u_y и u_удоп находились в противофазе, т.е. имели фазовых сдвиг, равный 180°. Такой фазовый сдвиг между напряжениями между u_y и u_удоп устанавливается по суммарному уровню амплитудной модуляции на выходе устройства. Поскольку при подаче на вход модулятора только управляющего сигнала u_y, на его выходе образуется как частотная модуляция (полезный эффект), так и амплитудная модуляция (паразитный эффект), то при введении дополнительного управляющего напряжения u_удоп, паразитная амплитудная модуляция уменьшается или практически полностью исчезает. Если этого не происходит, то напряжение u_y и u_удоп находятся в фазе. В этом случае для установки фазового сдвига в 180° между этими сигналами следует выполнить переполюсовку - перемену точек подключения выводом либо первичной, либо вторичной обмоток трансформатора 21, относительно первоначального (исходного) состояния. В результате этого фаза напряжения u_удоп изменяется либо на +180°, либо на -180°. Для компенсации паразитной амплитудной модуляции знак этого фазового сдвига роли не играет, поскольку в обоих случаях происходит компенсация амплитудной модуляции. Уменьшается при этом и уровень паразитной амплитудной модуляции и на выходе устройства, а при оптимальном выборе уровня сигнала u_удоп практически устраняется.

Поскольку управляющие сигналы u_y и u_удоп создаются одним общим управляющим источником 17, то за счет его конечного внутреннего сопротивления возникает взаимное влияние этих сигналов, которое приводит к ухудшению работы устройства. Для его устранения в частотно-модулированный генератор введен развязывающий каскад 20, в качестве которого могут использоваться как активные цепи (усилительные каскады), так и пассивные цепи (в простейшем случае резистор). Путем выбора номиналов элементов развязывающего каскада 20 и номинала шестого резистора 19 устанавливается необходимый уровень амплитуд напряжений u_y и u_удоп, обеспечивающий оптимальный режим работы устройства.

Однако вторичная обмотка трансформатора 21, ввиду большого ее сопротивления току высокой частоты, нарушает режим работы автогенератора. Для того чтобы устранить влияние трансформатора 21 на работу автогенератора по высокой частоте параллельно его вторичной обмотке включен седьмой конденсатор 22, выполняющий функцию блокировочного по высокой частоте.

Это требование реализуется путем выбора емкости этого конденсатора таким образом, чтобы его сопротивление на частоте ω_г было малым по сравнению с емкостью пятого конденсатора 15, а для сигнала частоты ω_y большим. Сопротивление пятого конденсатора 15 на частоте ω_г в оптимальном режиме работы должно составлять от 10 до 100 Ом, а седьмого конденсатора 22 в 10-100 раз меньше. Поскольку сопротивление конденсатора х=1/ωС, то с учетом реальных значений частоты ω емкость седьмого конденсатора 22 на частоте ω_г составляет от нескольких сотен пФ до нескольких тысяч пФ, что реализуемо на практике. Поскольку частота ω_г больше частоты ω_y на несколько порядков, то сопротивление седьмого конденсатора 22 на частоте ω_y будет большим и поэтому не оказывает шунтирующее действие на трансформатор 21 для управляющей частоты.

Требования к реализации других элементов схемы заявляемого устройства хорошо известны и их выполнение при производстве не встречает затруднений.

В частотно-модулированном генераторе наряду с кварцевыми резонаторами, работающими на объемном пьезоэффекте, могут применяться также и резонаторы, использующие поверхностный пьезоэффект с возбуждением поверхностных акустических волн (ПАВ-резонаторы). Принцип получения частотной модуляции в этом случае полностью аналогичен изложенному выше. Однако при использовании ПАВ-резонаторов частотная модуляция осуществляется при значительно больших уровнях мощности ВЧ-колебаний, что приводит к значительно большему изменению потерь в контуре и, соответственно, большему уровню сопутствующей паразитной амплитудной модуляции. Поэтому в этом случае преимущество заявляемого устройства по сравнению с известными проявляется значительно больше.

Следовательно, заявляемое устройство по сравнению с известными имеет значительно меньший уровень паразитной амплитудной модуляции и отвечает условию промышленной применимости.

Источник информации

1. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н. Повышение стабильности частоты кварцевых генераторов, управляемых с помощью варикапов.//Полупроводниковая электроника в технике связи. Сб. статей под ред. И.Ф.Николаевского. - М.: Связь, 1976, вып.17. С.55-59.

Частотно-модулированный генератор, содержащий автогенератор, включающий первый резистор, первый вывод которого подключен к источнику напряжения питания, транзистор, нагрузочный резистор, второй вывод которого подсоединен к коллектору транзистора, первый конденсатор и стабилитрон, соединенные параллельно и подключенные ко второму выводу первого резистора, второй конденсатор, включенный между точкой соединения второго вывода нагрузочного резистора с коллектором транзистора и выходом устройства, первую ветвь колебательного контура, состоящую из последовательно соединенных третьего конденсатора, катушки индуктивности, варикапа, кварцевого резонатора и включенную между базой транзистора и общей точкой, второй резистор, включенный между базой транзистора и вторым выводом первого резистора, третий резистор, включенный между базой транзистора и общей точкой, четвертый резистор, включенный между точкой соединения варикапа с кварцевым резонатором и вторым выводом первого резистора, вторую ветвь колебательного контура, состоящую из последовательно соединенных четвертого и пятого конденсаторов, включенную между базой транзистора и общей точкой, при этом точка соединения этих конденсаторов подключена к эмиттеру транзистора, пятый резистор, включенный между эмиттером транзистора и общей точкой, и управляющую цепь, состоящую из последовательно соединенных источника управляющего сигнала, шестого конденсатора и шестого резистора, подключенного к точке соединения варикапа с кварцевым резонатором, отличающийся тем, что введена дополнительная управляющая цепь, состоящая из развязывающего каскада, трансформатора, содержащего первичную и вторичную обмотки, и седьмого конденсатора, включенного между первым выводом нагрузочного резистора и вторым выводом первого резистора, при этом вторичная обмотка трансформатора подсоединена параллельно седьмому конденсатору, а его первичная обмотка через развязывающий каскад соединена с выходом источника управляющего сигнала.