การแปลงความถี่คืออะไร? เงื่อนไข: การแปลงความถี่ รากฐานทางทฤษฎีของวิศวกรรมวิทยุ

ในวิศวกรรมวิทยุ มักจำเป็นต้องเปลี่ยนสเปกตรัมของสัญญาณไปตามแกนความถี่ด้วยค่าคงที่ที่แน่นอนโดยที่ยังคงโครงสร้างสัญญาณไว้ การเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงชั่วโมง

เพื่อชี้แจงสาระสำคัญของกระบวนการแปลงความถี่ ให้เรากลับไปสู่ประเด็นเกี่ยวกับผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าสองตัวต่อองค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้น ซึ่งจะกล่าวถึงโดยย่อในมาตรา 8.4 อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ การสั่นเพียงอันเดียวเท่านั้น กล่าวคืออันที่สร้างโดยออสซิลเลเตอร์เสริม (เฮเทอโรไดน์) เท่านั้นที่จะได้รับการพิจารณาแบบฮาร์มอนิก โดยการสั่นครั้งที่สอง เราหมายถึงสัญญาณที่จะแปลง ซึ่งอาจซับซ้อน แต่เป็นกระบวนการในย่านความถี่แคบ

ดังนั้นองค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้นจึงได้รับผลกระทบจากแรงดันไฟฟ้าสองตัว: จากออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่

จากแหล่งสัญญาณ

แอมพลิจูด ความถี่ และเฟสเริ่มต้นของการสั่นแบบเฮเทอโรไดน์เป็นค่าคงที่ แอมพลิจูดและความถี่ทันทีของสัญญาณสามารถปรับได้ กล่าวคือ อาจเป็นฟังก์ชันที่ช้าของเวลา (กระบวนการแถบความถี่แคบ) เฟสเริ่มต้นของสัญญาณเป็นค่าคงที่

หน้าที่ของการแปลงความถี่คือการหาผลรวมหรือความถี่ผลต่าง ดังต่อไปนี้จากนิพจน์ (8.30) ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องใช้ความไม่เชิงเส้นกำลังสอง

ในฐานะที่เป็นองค์ประกอบไม่เชิงเส้นเราจะใช้ไดโอดเช่นเดียวกับใน§ 8.9 แต่เพื่อที่จะระบุผลคูณของปฏิสัมพันธ์ของสัญญาณและการแกว่งของเฮเทอโรไดน์ได้ครบถ้วนยิ่งขึ้นเราจะประมาณค่านั้นด้วยพหุนามของระดับที่สี่ (และ ไม่ใช่ครั้งที่สองดังใน§ 8.4):

ข้อกำหนดที่มีอำนาจต่างกันเท่านั้นหรือเท่านั้นที่ไม่น่าสนใจ จากมุมมองของการแปลงความถี่ (กะ) ความสำคัญหลักจะมอบให้กับเงื่อนไขที่เป็นผลคูณของแบบฟอร์มทางด้านขวาของนิพจน์ (8.72) และถูกวงกลมไว้

แทนที่ (8.70) และ (8.71) ลงในผลิตภัณฑ์เหล่านี้ และทิ้งส่วนประกอบทั้งหมดที่มีความถี่ไม่ใช่ผลรวมของความถี่หรือส่วนต่าง หลังจากการคำนวณตรีโกณมิติอย่างง่าย เราจะได้ผลลัพธ์สุดท้ายดังต่อไปนี้:

จากผลลัพธ์นี้เห็นได้ชัดว่าความถี่ที่เราสนใจเกิดขึ้นเพียงเพราะกำลังของพหุนามที่ใกล้เคียงกับลักษณะขององค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เทอมกำลังสองของพหุนาม (ที่มีค่าสัมประสิทธิ์) เพียงเทอมเดียวเท่านั้นที่สร้างส่วนประกอบที่มีแอมพลิจูดเป็นสัดส่วนกับระดับแรกเท่านั้น องศาที่สูงกว่าครั้งแรก

จากนี้เห็นได้ชัดว่าต้องเลือกแอมพลิจูดในลักษณะที่เงื่อนไขการขยาย (8.72) ที่ไม่สูงกว่าระดับที่สองมีความสำคัญเหนือกว่า สิ่งนี้ต้องการการเติมเต็มความไม่เท่าเทียมกัน

จากนั้นนิพจน์ (8.73) จะกลายเป็นดังนี้:

ในเครื่องรับวิทยุและอุปกรณ์อื่นๆ จำนวนมาก ซึ่งงานการแปลงความถี่มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับงานขยายสัญญาณ โดยปกติแล้ว?,

คำแรกในวงเล็บปีกกาที่มีความถี่ (อนุพันธ์ของอาร์กิวเมนต์โคไซน์) สอดคล้องกับการเปลี่ยนสเปกตรัมของสัญญาณไปยังบริเวณความถี่สูงและคำที่สองที่มีความถี่ - ไปยังบริเวณความถี่ต่ำ หากต้องการแยกความถี่ใดความถี่หนึ่งเหล่านี้ - ผลต่างหรือผลรวม - คุณต้องใช้โหลดที่เหมาะสมที่เอาต์พุตของตัวแปลง ตัวอย่างเช่น สมมติว่าความถี่อยู่ใกล้มากและคุณต้องการแยกความถี่ต่ำที่อยู่ใกล้กับศูนย์ ปัญหานี้มักพบในเทคโนโลยีการวัด (วิธี "ศูนย์จังหวะ") ในกรณีนี้ โหลดควรเหมือนกับการตรวจจับแอมพลิจูด กล่าวคือ ประกอบด้วยการเชื่อมต่อแบบขนานของ R และ C เพื่อให้มั่นใจว่ามีการกรอง (ปราบปราม) ความถี่สูงและแยกความถี่ที่แตกต่างกัน หากความถี่ที่แตกต่างกันอยู่ที่ความถี่สูง พิสัยนั้นจึงควรใช้วงจรการสั่นแบบเรโซแนนซ์ (รูปที่ 8.42) ถ้าความถี่ที่เป็นประโยชน์ที่จะจัดสรรคือความถี่ทั้งหมด จะต้องปรับวงจรให้สอดคล้องกับความถี่

โดยปกติแล้ว แบนด์วิธของวงจรออสซิลลาทอรีซึ่งเป็นโหลดของคอนเวอร์เตอร์ ได้รับการออกแบบมาสำหรับความกว้างของสเปกตรัมของการสั่นแบบมอดูเลต ในกรณีนี้ ส่วนประกอบกระแสทั้งหมดที่มีความถี่ใกล้เคียง ผ่านวงจรเท่าๆ กัน และโครงสร้างของสัญญาณเอาท์พุตเกิดขึ้นพร้อมกับโครงสร้างของสัญญาณอินพุต

ข้าว. 8.42. วงจรสมมูลของตัวแปลงความถี่

ข้าว. 8.43. สเปกตรัมสัญญาณที่อินพุตและเอาต์พุตของตัวแปลง:

ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือความถี่เอาต์พุตเท่ากับหรือขึ้นอยู่กับความถี่เรโซแนนซ์ของวงจรโหลด

ดังนั้น เมื่อแปลงความถี่ กฎการเปลี่ยนแปลงในแอมพลิจูดความถี่และเฟสของการสั่นของอินพุตจะถูกถ่ายโอนไปยังการสั่นของเอาท์พุต ในแง่นี้ การแปลงสัญญาณที่ต้องการจะเป็นแบบเส้นตรง และอุปกรณ์นั้นเป็นตัวแปลงเชิงเส้นหรือ "มิกเซอร์"

โรเตอร์ของมอเตอร์ไฟฟ้าใด ๆ ถูกขับเคลื่อนด้วยแรงที่เกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่กำลังหมุนอยู่ภายในขดลวดสเตเตอร์ ความเร็วของมันมักจะถูกกำหนดโดยความถี่อุตสาหกรรมของเครือข่ายไฟฟ้า

ค่ามาตรฐานที่ 50 เฮิรตซ์หมายถึงช่วงการสั่นห้าสิบครั้งภายในหนึ่งวินาที ในหนึ่งนาที จำนวนของมันจะเพิ่มขึ้น 60 ครั้งและคิดเป็น 50x60=3,000 รอบ โรเตอร์หมุนในจำนวนเท่ากันภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้

หากคุณเปลี่ยนค่าความถี่เครือข่ายที่ใช้กับสเตเตอร์ คุณสามารถปรับความเร็วในการหมุนของโรเตอร์และไดรฟ์ที่เชื่อมต่ออยู่ได้ หลักการนี้เป็นพื้นฐานในการควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้า

ประเภทของตัวแปลงความถี่

ตามการออกแบบ ตัวแปลงความถี่คือ:

1. ประเภทการเหนี่ยวนำ;

2. อิเล็กทรอนิกส์.

มอเตอร์ไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสที่ผลิตและเปิดตัวในโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นตัวแทนของประเภทแรก มีประสิทธิภาพการทำงานต่ำและมีลักษณะประสิทธิภาพต่ำ ดังนั้นจึงไม่พบการใช้งานที่แพร่หลายในการผลิตและมีการใช้งานน้อยมาก

วิธีการแปลงความถี่อิเล็กทรอนิกส์ช่วยให้คุณควบคุมความเร็วของทั้งเครื่องอะซิงโครนัสและซิงโครนัสได้อย่างราบรื่น ในกรณีนี้ สามารถใช้หลักการควบคุมหนึ่งในสองข้อได้:

1. ตามคุณลักษณะที่กำหนดไว้ล่วงหน้าของการขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุนของความถี่ (V/f)

2. วิธีการควบคุมเวกเตอร์

วิธีแรกเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดและขั้นสูงน้อยกว่า และวิธีที่สองใช้เพื่อควบคุมความเร็วในการหมุนของอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่สำคัญอย่างแม่นยำ

คุณสมบัติของการควบคุมเวกเตอร์ของการแปลงความถี่

ความแตกต่างระหว่างวิธีนี้คือการโต้ตอบ อิทธิพลของอุปกรณ์ควบคุมคอนเวอร์เตอร์ที่มีต่อ "เวกเตอร์เชิงพื้นที่" ฟลักซ์แม่เหล็กโดยหมุนด้วยความถี่สนามโรเตอร์

อัลกอริทึมสำหรับตัวแปลงปฏิบัติการตามหลักการนี้ถูกสร้างขึ้นในสองวิธี:

1. การควบคุมแบบไร้สัมผัส;

2. การควบคุมการไหล

วิธีแรกขึ้นอยู่กับการกำหนดการพึ่งพาการสลับลำดับอินเวอร์เตอร์ให้กับอัลกอริธึมที่เตรียมไว้ล่วงหน้า ในกรณีนี้ แอมพลิจูดและความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์จะถูกปรับตามสลิปและกระแสโหลด แต่ไม่ได้ใช้ ข้อเสนอแนะด้วยความเร็วการหมุนของโรเตอร์

วิธีการนี้ใช้เมื่อควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้าหลายตัวที่เชื่อมต่อแบบขนานกับตัวแปลงความถี่ การควบคุมฟลักซ์เกี่ยวข้องกับการติดตามกระแสการทำงานภายในมอเตอร์ การแยกกระแสออกเป็นส่วนประกอบที่ทำงานและปฏิกิริยา และทำการปรับเปลี่ยนการทำงานของคอนเวอร์เตอร์เพื่อตั้งค่าแอมพลิจูด ความถี่ และมุมสำหรับเวกเตอร์แรงดันเอาท์พุต

สิ่งนี้ช่วยให้คุณเพิ่มความแม่นยำของเครื่องยนต์และเพิ่มขีดจำกัดของการควบคุม การใช้การควบคุมการไหลจะขยายขีดความสามารถของไดรฟ์ที่ทำงานที่ความเร็วต่ำพร้อมกับโหลดไดนามิกขนาดใหญ่ เช่น อุปกรณ์ยกเครนหรือเครื่องพันขดลวดทางอุตสาหกรรม

การใช้เทคโนโลยีเวกเตอร์ช่วยให้สามารถปรับแรงบิดในการหมุนแบบไดนามิกได้

โครงการทดแทน

แผนผังวงจรไฟฟ้าแบบง่ายของมอเตอร์แบบอะซิงโครนัสสามารถแสดงได้ดังนี้

แรงดันไฟฟ้า u1 ถูกนำไปใช้กับขดลวดสเตเตอร์ซึ่งมี R1 ที่ใช้งานอยู่และความต้านทานแบบเหนี่ยวนำ X1 เมื่อเอาชนะความต้านทานของช่องว่างอากาศ Xv จะถูกเปลี่ยนเป็นขดลวดของโรเตอร์ทำให้เกิดกระแสในนั้นที่เอาชนะความต้านทานของมัน

แผนภาพเวกเตอร์ของวงจรสมมูล

โครงสร้างช่วยให้เข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในมอเตอร์อะซิงโครนัส

พลังงานกระแสสเตเตอร์แบ่งออกเป็นสองส่วน:

iµ - เศษส่วนที่ก่อตัวเป็นกระแส

iw คือส่วนประกอบที่สร้างแรงบิด

ในกรณีนี้ โรเตอร์มีความต้านทานแบบแอคทีฟ R2/s ซึ่งขึ้นอยู่กับสลิป

สำหรับการควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์ จะมีการวัดสิ่งต่อไปนี้:

แรงดันไฟฟ้า u1;

ปัจจุบัน i1

ขึ้นอยู่กับค่าของพวกเขา มีการคำนวณดังต่อไปนี้:

iµ - ส่วนประกอบกระแสที่สร้างกระแส

iw คือปริมาณที่สร้างแรงบิด

อัลกอริธึมการคำนวณได้รวมวงจรสมมูลอิเล็กทรอนิกส์ของมอเตอร์อะซิงโครนัสกับตัวควบคุมกระแสไว้แล้วซึ่งคำนึงถึงเงื่อนไขของความอิ่มตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและการสูญเสียพลังงานแม่เหล็กในเหล็ก

ส่วนประกอบทั้งสองนี้ของเวกเตอร์ปัจจุบัน ซึ่งมีมุมและแอมพลิจูดต่างกัน หมุนร่วมกับระบบพิกัดของโรเตอร์ และถูกแปลงเป็นระบบการวางแนวสเตเตอร์ที่อยู่กับที่

ตามหลักการนี้ พารามิเตอร์ของตัวแปลงความถี่จะถูกปรับให้เข้ากับโหลดของมอเตอร์อะซิงโครนัส

หลักการทำงานของตัวแปลงความถี่

อุปกรณ์นี้เรียกอีกอย่างว่าอินเวอร์เตอร์ ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างสัญญาณของเครือข่ายไฟฟ้าที่จ่ายสองครั้ง

ขั้นแรก แรงดันไฟฟ้าทางอุตสาหกรรมจะถูกส่งไปยังยูนิตเรียงกระแสกำลังที่มีไดโอดกำลังสูง ซึ่งจะกำจัดฮาร์โมนิกแบบไซน์ซอยด์ แต่ปล่อยให้สัญญาณกระเพื่อม เพื่อกำจัดพวกมัน จึงจัดให้มีธนาคารตัวเก็บประจุที่มีการเหนี่ยวนำ (ตัวกรอง LC) ไว้ ซึ่งทำให้แรงดันไฟฟ้าที่แก้ไขมีรูปทรงที่เสถียรและเรียบเนียน

จากนั้นสัญญาณจะถูกป้อนไปยังอินพุตของตัวแปลงความถี่ ซึ่งเป็นวงจรบริดจ์สามเฟสของซีรีย์ IGBT หรือ MOSFET หกชุดพร้อมไดโอดป้องกันการพังทลายของขั้วย้อนกลับ ไทริสเตอร์ที่เคยใช้เพื่อวัตถุประสงค์เหล่านี้ไม่มีความเร็วเพียงพอและทำงานโดยมีเสียงรบกวนมาก

หากต้องการเปิดใช้งานโหมด "เบรก" ของเครื่องยนต์ สามารถติดตั้งทรานซิสเตอร์ควบคุมพร้อมตัวต้านทานทรงพลังที่กระจายพลังงานในวงจรได้ เทคนิคนี้ช่วยให้คุณสามารถกำจัดแรงดันไฟฟ้าที่สร้างโดยเครื่องยนต์ได้ เพื่อปกป้องตัวเก็บประจุตัวกรองจากการชาร์จไฟเกินและความล้มเหลว

วิธีการควบคุมเวกเตอร์ความถี่ของตัวแปลงช่วยให้คุณสร้างวงจรที่ควบคุมสัญญาณโดยอัตโนมัติโดยระบบ ACS ในกรณีนี้จะใช้ระบบควบคุม:

1. แอมพลิจูด;

2. PWM (การสร้างแบบจำลองความกว้างพัลส์)

วิธีการควบคุมแอมพลิจูดนั้นขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าอินพุต และ PWM เป็นอัลกอริทึมสำหรับการสลับทรานซิสเตอร์กำลังที่แรงดันไฟฟ้าอินพุตคงที่

ด้วยการควบคุมแบบ PWM ระยะเวลามอดูเลตสัญญาณจะถูกสร้างขึ้นเมื่อมีการเชื่อมต่อขดลวดสเตเตอร์กับขั้วบวกและขั้วลบของวงจรเรียงกระแสอย่างเข้มงวด

เนื่องจากความถี่สัญญาณนาฬิกาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าค่อนข้างสูง ในขดลวดของมอเตอร์ไฟฟ้าซึ่งมีรีแอคแทนซ์แบบเหนี่ยวนำ พวกมันจึงถูกทำให้เรียบเป็นไซนัสอยด์ปกติ

วิธีการควบคุม PWM ช่วยให้สามารถกำจัดการสูญเสียพลังงานได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และให้ประสิทธิภาพการแปลงสูงเนื่องจากการควบคุมความถี่และแอมพลิจูดไปพร้อมๆ กัน มีจำหน่ายแล้วด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีควบคุมสำหรับไทริสเตอร์ปิดไฟของซีรีย์ GTO หรือทรานซิสเตอร์สองขั้วของ IGBT ที่มีประตูหุ้มฉนวน

หลักการของการรวมเพื่อควบคุมมอเตอร์สามเฟสแสดงไว้ในรูปภาพ

ทรานซิสเตอร์ IGBT ทั้งหกตัวเชื่อมต่ออยู่ในวงจรต่อต้านขนานกับไดโอดกระแสย้อนกลับของตัวเอง ในกรณีนี้กระแสแอคทีฟของมอเตอร์อะซิงโครนัสจะผ่านวงจรกำลังของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวและส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยาจะถูกส่งผ่านไดโอด

เพื่อขจัดอิทธิพลของสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าภายนอกต่อการทำงานของอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ สามารถรวมการออกแบบวงจรตัวแปลงความถี่เข้าด้วยกัน เพื่อกำจัด:

การรบกวนทางวิทยุ

การปล่อยประจุไฟฟ้าที่เกิดจากอุปกรณ์ใช้งาน

ตัวควบคุมจะส่งสัญญาณการเกิดขึ้น และเพื่อลดผลกระทบ จึงมีการใช้สายไฟที่มีฉนวนหุ้มระหว่างมอเตอร์และขั้วเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์

เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของการทำงานของมอเตอร์แบบอะซิงโครนัส วงจรควบคุมของตัวแปลงความถี่ประกอบด้วย:

การป้อนข้อมูลการสื่อสารด้วยความสามารถอินเทอร์เฟซขั้นสูง

คอนโทรลเลอร์ในตัว

การ์ดหน่วยความจำ;

ซอฟต์แวร์;

จอแสดงผลข้อมูล LED แสดงพารามิเตอร์เอาต์พุตหลัก

ตัวสับเบรกและตัวกรอง EMC ในตัว

ระบบระบายความร้อนแบบวงจรโดยใช้การเป่าด้วยพัดลมที่มีอายุการใช้งานยาวนาน

ฟังก์ชั่นอุ่นเครื่องเครื่องยนต์ผ่าน ดี.ซีและความเป็นไปได้อื่นๆ

แผนภาพการเชื่อมต่อการทำงาน

ตัวแปลงความถี่ได้รับการออกแบบให้ทำงานกับเครือข่ายเฟสเดียวหรือสามเฟส อย่างไรก็ตาม หากมีแหล่งจ่ายไฟ DC อุตสาหกรรมที่มีแรงดันไฟฟ้า 220 โวลต์ อินเวอร์เตอร์ก็สามารถจ่ายไฟจากแหล่งดังกล่าวได้เช่นกัน

รุ่นสามเฟสได้รับการออกแบบสำหรับแรงดันไฟฟ้าเครือข่าย 380 โวลต์และจ่ายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์เฟสเดียวใช้พลังงาน 220 โวลต์และเอาต์พุตสามเฟสโดยเว้นระยะห่างกันตามเวลา

แผนภาพการเชื่อมต่อของตัวแปลงความถี่กับเครื่องยนต์สามารถทำได้ตามแผนภาพต่อไปนี้:

ดาว;

สามเหลี่ยม.

ขดลวดมอเตอร์ถูกประกอบเป็น "สตาร์" สำหรับคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งขับเคลื่อนจากเครือข่ายสามเฟส 380 โวลต์

ขดลวดมอเตอร์ประกอบขึ้นตามรูปแบบ "สามเหลี่ยม" เมื่อตัวแปลงป้อนเข้ากับเครือข่ายเฟสเดียว 220 โวลต์

เมื่อเลือกวิธีเชื่อมต่อมอเตอร์ไฟฟ้าเข้ากับตัวแปลงความถี่ คุณต้องใส่ใจกับอัตราส่วนของกำลังที่มอเตอร์ที่ทำงานอยู่สามารถสร้างได้ในทุกโหมด รวมถึงการสตาร์ทช้า โหลดด้วยความสามารถของอินเวอร์เตอร์

คุณไม่สามารถโอเวอร์โหลดตัวแปลงความถี่มากเกินไปได้อย่างต่อเนื่อง และกำลังเอาท์พุตสำรองเล็กน้อยจะช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานในระยะยาวและไร้ปัญหา

หน่วยงานการศึกษาของรัฐบาลกลาง

มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งรัฐครัสโนยาสค์

งานห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับ RTCiS หมายเลข 4

การแปลงความถี่

สมบูรณ์:

นักเรียนกรัม R53-4: ติตอฟ ดี.เอส.

ตรวจสอบแล้ว:

แคชกิน วี.บี.

ครัสโนยาสค์ 2548

วัตถุประสงค์ของการทำงาน

ศึกษาหลักการพื้นฐานของการแปลงความถี่ ในงานนี้ การพึ่งพาค่าสัมประสิทธิ์การแปลงกับแรงดันไบแอสจะถูกลบออก และสเปกตรัมของสัญญาณที่เอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์จะถูกศึกษาที่แอมพลิจูดออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ขนาดใหญ่และขนาดเล็ก

การบ้าน .

วงจรแปลงความถี่

การขึ้นอยู่กับความชันดิฟเฟอเรนเชียลกับแรงดันไฟฟ้าอินพุต

รู้จัก: ความถี่ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น fg, ความถี่ตัวกรองความถี่กลาง ff กำหนดความถี่สัญญาณที่แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์ถึงค่าสูงสุด

A) หากแอมพลิจูดของออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่มีขนาดเล็ก ตัวแปลงจะทำงานในโหมดกำลังสอง ดังนั้น

B) หากแอมพลิจูดของออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่มีขนาดใหญ่ โหมดจะไม่เป็นแบบกำลังสองอีกต่อไป

โดยที่ m และ n เป็นจำนวนเต็มบวก

ในกรณีนี้จะมีการบิดเบือนสัญญาณอย่างรุนแรงที่เอาต์พุตของตัวแปลง

การพึ่งพา Uout(Ub0) ในโหมดการแปลงความถี่ เช่น ด้วยการป้อนข้อมูล Uс และ Uг และ fс=|fг±ff| พร้อมกัน

การพึ่งพานี้มีอักขระไม่เชิงเส้นเหมือนกับลักษณะอินพุตของทรานซิสเตอร์

ส่วนการทดลอง

ให้เราลบการพึ่งพาแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของตัวแปลงกับแรงดันไบแอสในโหมดเส้นทางตรงด้วย Uc = 10 mV และ fc = fп และออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่ถูกปิด

ความถี่กลางที่คำนวณได้ของตัวกรองคือ f=121 kHz (C=2200pF L=780 µH)

พบความถี่ออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่จากการทดลอง f=261 kHz, ความถี่ตัวกรองระดับกลาง f=104 kHz

เราปรับความถี่ของสัญญาณให้เป็นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เอาต์พุตของตัวแปลง

ลักษณะผลลัพธ์ที่ได้จะไม่เป็นเชิงเส้นอย่างชัดเจนเพราะว่า ลักษณะอินพุตของทรานซิสเตอร์ไม่เชิงเส้น

ให้เราเลือกจุดปฏิบัติการที่อยู่ตรงกลางของส่วนเชิงเส้นของการพึ่งพา Uout(Ub0) Ub0=0.5 โวลต์

มาบันทึกและพล็อตการพึ่งพาแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของตัวแปลงความถี่สัญญาณที่ Uc = 10 mV ป้อนค่าของแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของตัวแปลงเป็นค่าสูงสุดและความถี่สูงสุด (LO เปิดอยู่ การซิงโครไนซ์ปิดอยู่)

ที่แอมพลิจูดออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ต่ำ Ar = 10 mV

ด้วยแอมพลิจูดขนาดใหญ่ของออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น Ar = 250 mV

ออสซิลโลแกรมของแรงดันไฟฟ้า AM ที่อินพุตตัวแปลง

ออสซิลโลแกรมของแรงดันไฟฟ้า AM ที่เอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์ที่แอมพลิจูดขนาดใหญ่ของออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่และออฟเซ็ต Ub0=0.5 V ที่ความถี่สัญญาณ

1) fс=fг+fп fс=365 กิโลเฮิร์ตซ์

2) fс=fг-fп fс=158 กิโลเฮิร์ตซ์

3) fс=3fг+fп fс=840 กิโลเฮิร์ตซ์

4) fс=3fг-fп fс=630 กิโลเฮิร์ตซ์

ให้เราลบการพึ่งพา Uout(Ub0) ที่แอมพลิจูดขนาดใหญ่ของออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่

จากข้อมูลที่ได้รับ เราคำนวณและพล็อตการขึ้นต่อกันของสัมประสิทธิ์การแปลงกับแรงดันไบแอส

บทสรุป: ในระหว่าง งานห้องปฏิบัติการมีการตรวจสอบกระบวนการที่เกิดขึ้นระหว่างการแปลงความถี่ของสัญญาณ AM

การพึ่งพาแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของตัวแปลงกับแรงดันไบแอสในโหมดเส้นทางตรงถูกลบออก การพึ่งพานี้ไม่เชิงเส้น

ความถี่และแอมพลิจูดของค่าสูงสุดถูกวัดที่แอมพลิจูดออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ต่ำและขนาดใหญ่ เราพบว่าสัญญาณที่เอาท์พุตของตัวแปลงความถี่มีสเปกตรัมที่ซับซ้อนโดยมีพีคที่หลายความถี่

ออสซิลโลแกรมของสัญญาณที่เอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์ได้รับที่ความถี่ต่างกันของสัญญาณ AM อินพุต ปรากฎว่าสัญญาณเอาท์พุตผิดเพี้ยนเล็กน้อย

1. การแปลงความถี่สัญญาณ- ในกรณีนี้สัญญาณที่อินพุตของอุปกรณ์ที่มีแอมพลิจูดแปรผันและ (หรือ) เฟสซึ่งมีความเข้มข้นตามสเปกตรัมใกล้กับความถี่ f 1 จะถูกแปลงที่เอาต์พุตของอุปกรณ์ให้เป็นสัญญาณที่มีรูปร่างเหมือนกัน (K และ - ค่าคงที่) แต่กระจุกตัวตามสเปกตรัมใกล้ความถี่

เมื่อแปลงความถี่ขึ้น f 2 จะมากกว่า f 1 เมื่อแปลงความถี่ลง f 2 จะน้อยกว่า f 1

การแปลงความถี่มักใช้ในอุปกรณ์สมัยใหม่เมื่อรับสัญญาณที่มีทั้งการปรับแอมพลิจูดและมุม

2. ตัวแปลงความถี่ตัวแปลงความถี่เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยให้คุณย้ายสเปกตรัมของสัญญาณอินพุตขึ้นหรือลงตามสเกลความถี่

แอมพลิฟายเออร์แบบไม่เชิงเส้นที่มีวงจรการสั่นที่เอาต์พุตที่ปรับเป็นความถี่พิเศษ (รวมกัน) สามารถใช้เป็นตัวแปลงความถี่ได้ รูปที่ 1 3.1.

รูปที่ 3.1. วงจรคอนเวอร์เตอร์เมื่อแปลงความถี่สูงขึ้น

การแปลงความถี่ขาขึ้นจะดำเนินการโดยการคูณการสั่นสองครั้ง และแยกการสั่นด้วยความถี่รวม (w + Ω) ที่เอาต์พุต ตามสูตร:

cos(x)×cos(y) = (1/2)

ในกรณีนี้เรามี:

ผลกระทบ:

ปฏิกิริยาที่เป็นประโยชน์:

ใน กรณีทั่วไปสัญญาณความถี่ต่ำสามารถแสดงเป็นผลรวมของการแกว่งฮาร์มอนิกหลายๆ ครั้ง จำเป็นต้องมีตัวกรองเพื่อเน้นปฏิกิริยาที่เป็นประโยชน์

การแปลงความถี่ลงจะดำเนินการโดยใช้วงจรเครื่องขยายเสียงแบบไม่เชิงเส้นเดียวกัน (รูปที่ 3.2) โดยการคูณการสั่นของอินพุตสองตัวและแยกการสั่นด้วยความถี่รวมที่เอาต์พุตตามสูตร:

cos(x)×cos(y) = (1/2)

รูปที่ 3.2 - วงจรคอนเวอร์เตอร์เมื่อแปลงความถี่ลง

ในกรณีนี้เรามี:

ผลกระทบ:

ปฏิกิริยาที่เป็นประโยชน์:

โดยทั่วไป สัญญาณความถี่ต่ำสามารถแสดงเป็นผลรวมของการแกว่งฮาร์มอนิกหลายๆ ครั้ง จำเป็นต้องมีตัวกรองความถี่ต่ำเพื่อแยกการตอบสนองที่เป็นประโยชน์

3. การมอดูเลตแอมพลิจูด ( AM) ในอดีตเป็นประเภทแรกของการมอดูเลตที่เชี่ยวชาญในทางปฏิบัติ ในปัจจุบัน AM ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการกระจายเสียงวิทยุที่มีความถี่ค่อนข้างต่ำ (ไม่สูงกว่าคลื่นสั้น) และสำหรับการส่งภาพในการออกอากาศทางโทรทัศน์ เนื่องจากการใช้พลังงานของสัญญาณมอดูเลตมีประสิทธิภาพต่ำ

AM สอดคล้องกับการถ่ายโอนข้อมูล s(t) ไปยังแอมพลิจูด U(t) ที่ค่าคงที่ของพารามิเตอร์ของการสั่นสะเทือนของพาหะ: ความถี่ w และ ระยะเริ่มต้นเจ 0 . สัญญาณ AM เป็นผลคูณของเปลือกข้อมูล U(t) และการแกว่งของฮาร์มอนิกของการเติมความถี่ที่สูงกว่า รูปแบบการบันทึกของสัญญาณมอดูเลตแอมพลิจูด:

u(t) = U(t)×cos(w o t+j o), (3.1)

U(t) = U ม ×, (3.2)

โดยที่ U m คือแอมพลิจูดคงที่ของการสั่นสะเทือนของพาหะในกรณีที่ไม่มีสัญญาณอินพุต (มอดูเลต) s(t), m คือสัมประสิทธิ์การมอดูเลตแอมพลิจูด

ค่า m มีลักษณะเฉพาะ ความลึกการมอดูเลตแอมพลิจูด ในกรณีที่ง่ายที่สุด ถ้าสัญญาณมอดูเลตแสดงด้วยความถี่เดียว การสั่นสะเทือนฮาร์มอนิกด้วยแอมพลิจูด S o ดังนั้นสัมประสิทธิ์การมอดูเลตจะเท่ากับอัตราส่วนของแอมพลิจูดของการมอดูเลตและการแกว่งของพาหะ m=S o /U m ค่า m ต้องอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 สำหรับฮาร์โมนิคทั้งหมดของสัญญาณมอดูเลต ที่ม<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.

รูปที่ 3.4 – สัญญาณมอดูเลต 3.5 – การมอดูเลตเชิงลึก

รูปที่ 3.5 แสดงตัวอย่างสิ่งที่เรียกว่า การปรับลึกโดยที่ค่า m มีแนวโน้มเป็น 1 ที่จุดสูงสุดของฟังก์ชัน s(t)

การมอดูเลตหนึ่งร้อยเปอร์เซ็นต์ (m=1) สามารถนำไปสู่การบิดเบือนสัญญาณเมื่อเครื่องส่งสัญญาณโอเวอร์โหลด ถ้าอย่างหลังมีช่วงไดนามิกที่จำกัดในแง่ของแอมพลิจูดของความถี่พาหะหรือกำลังทรานสมิตเตอร์ที่จำกัด (เพิ่มแอมพลิจูดของการสั่นของพาหะในสัญญาณสูงสุด ช่วงเวลา U(t) ต้องเพิ่มกำลังเครื่องส่งเป็นสองเท่าสี่ครั้ง)

เมื่อ ม.>1 สิ่งที่เรียกว่า โอเวอร์โมดูเลชั่นตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ 3.6 รูปร่างของซองจดหมายในระหว่างการมอดูเลตมากเกินไปจะบิดเบี้ยวสัมพันธ์กับรูปร่างของสัญญาณมอดูเลต และหลังจากดีโมดูเลชั่น หากใช้วิธีการที่ง่ายที่สุด ข้อมูลอาจถูกบิดเบือน

4. การมอดูเลตแอมพลิจูดแบบโมโนฮาร์โมนิค . รูปแบบที่ง่ายที่สุดของสัญญาณมอดูเลตจะถูกสร้างขึ้นด้วยโมโนฮาร์โมนิก การมอดูเลตแอมพลิจูด - การมอดูเลตสัญญาณพาหะโดยการสั่นฮาร์มอนิกด้วยความถี่เดียว Ω:

u(t) = U m × cos(w o t), (3.3)

ค่าของมุมเฟสเริ่มต้นของพาหะและการมอดูเลตการแกว่งที่นี่และในส่วนที่ตามมา เราจะใช้ค่าเท่ากับศูนย์เพื่อทำให้นิพจน์ผลลัพธ์ง่ายขึ้น โดยคำนึงถึงสูตร cos(x)×cos(y) = (1/2) จากนิพจน์ (3.3) ที่เราได้รับ:

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)

ตามมาว่าการมอดูเลตออสซิลเลชันที่มีความถี่ Ω จะเคลื่อนไปยังขอบเขตความถี่ w o และแบ่งออกเป็นสองการสั่นที่มีความถี่ตามลำดับ w o + Ω ความถี่ด้านบน และ w o - j - ความถี่ด้านล่าง ความถี่เหล่านี้ตั้งอยู่บนแกนอย่างสมมาตรสัมพันธ์กับความถี่ w o , รูปที่. 3.7. แอมพลิจูดของการแกว่งที่ความถี่ด้านข้างจะเท่ากัน และที่การปรับ 100% จะเท่ากับครึ่งหนึ่งของแอมพลิจูดของการแกว่งของความถี่พาหะ หากเราแปลงสมการ (3.3) โดยคำนึงถึงเฟสเริ่มต้นของพาหะและมอดูเลตความถี่ เราจะได้กฎการเปลี่ยนเฟสที่คล้ายกับกฎการเปลี่ยนความถี่:

เฟสเริ่มต้นของการมอดูเลตออสซิลเลชันสำหรับความถี่ด้านบนจะถูกเพิ่มเข้าไปในเฟสเริ่มต้นของพาหะ

เฟสเริ่มต้นของการมอดูเลตออสซิลเลชันสำหรับอันล่างจะถูกลบออกจากเฟสพาหะ

ความกว้างทางกายภาพของสเปกตรัมของสัญญาณมอดูเลตคือสองเท่าของความกว้างของสเปกตรัมของสัญญาณมอดูเลต

ด้วยการกระทำพร้อมกันของสัญญาณและออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่บนองค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้นกระแสของความถี่รวมของรูปแบบจะปรากฏในวงจรเอาต์พุต โดยที่ m และ n เป็นจำนวนเต็มของอนุกรมธรรมชาติและกำหนดความไม่เชิงเส้นขององค์ประกอบการแปลงที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณและออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ หากคอนเวอร์เตอร์มีลักษณะเชิงเส้นสัมพันธ์กับสัญญาณ ดังนั้น m=1 หากออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่สร้างสัญญาณฮาร์มอนิก ดังนั้น n=1

ระบบเลือกเชื่อมต่ออยู่ที่อินพุตทั้งสามอินพุตของตัวแปลงความถี่ โดยปรับตามลำดับเพื่อให้สะท้อนที่อินพุตด้วยความถี่สัญญาณ ในกรณีนี้ ระบบเฮเทอโรไดน์เชื่อมต่อกับเทอร์มินัล 3-3 (เราตั้งค่า n=1) และระบบเลือกในรูปแบบของ ตัวอย่างเช่น วงจรออสซิลเลเตอร์ธรรมดาเชื่อมต่อกับเทอร์มินัล 2-2

สมการพื้นฐานที่อธิบายการทำงานของเครือข่าย 6 พอร์ตคือสมการในรูปแบบ:

(1)

(2)

นิพจน์ (1) และ (2) ไม่รวมเวลา เนื่องจากเราถือว่าเครือข่าย 6 พอร์ตไม่มีความเฉื่อย เมื่อหาสมการที่อธิบายกระบวนการแปลงความถี่ เราจะถือว่าแรงดันสัญญาณ U c อยู่ในลำดับตั้งแต่สิบถึงร้อย µV ซึ่งช่วยให้เราสามารถพิจารณาเชิงเส้นของตัวแปลงความถี่ได้ ในเวลาเดียวกันแรงดันไฟฟ้าที่มีความถี่ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น U g อยู่ในอันดับที่สิบและหน่วยของ V ดังนั้นทั้ง U c และ U pr ไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ขององค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้นซึ่งทำโดย U g วิธีนี้ทำให้ฟังก์ชัน f 1 และ f 2 สามารถขยายเป็นอนุกรมเทย์เลอร์ด้วยกำลังของตัวแปรขนาดเล็ก U c และ U pr กล่าวคือ จำกัดตัวเราเองโดยคำนึงถึงเงื่อนไขของการขยายด้วย U c และ U pr ใน ระดับแรก

(3)