РАДИОПЕРЕДАТЧИК класса "E" с амплитудной ШИМ-модуляцией. Часть 1.

689 full reads
1k story viewsUnique page visitors
689 read the story to the endThat's 68% of the total page views
1 minute — average reading time

Известно, что "железный конь идёт на смену крестьянской лошади", а цифровые методы всё больше проникают в электронику. Например, ШИМ методы для усиления, генерации и управления завоевывают её классические области.

Разберёмся с радиопередающими устройствами с ШИМ методами амплитудной модуляции.

Известно, что уровень гармонических составляющих в спектре прямоугольного сигнала пропорционален ширине импульса. Изменяя ширину импульса, можно изменять амплитуду его гармоник, реализуя принцип амплитудной модуляции, например, для первой гармоники. "отрезая" "лишний спектр" обычным полосовым фильтром. Импульсный режим обеспечивает хорошую совместимость и высокий КПД.

Для того, чтобы понять основные особенности этих передатчиков, разберёмся с работой их выходных каскадов, ШИМ-модуляторов и дополнительных цепей, повышающих эффективность передатчика.

Выходной каскад

В выходном каскаде формируется амплитудно-модулированный сигнал.

Зависимость амплитуды спектральных составляющих от скважности описывается следующим образом, рис.1:

Рис.1. Прямоугольные импульсы
Рис.1. Прямоугольные импульсы
Рис.1. Прямоугольные импульсы

Для первой гармоники график зависимости её амплитуды от скважности ("модуляционная характеристика"), показана на рис.2:

Рис.2.Модуляционная характеристика
Рис.2.Модуляционная характеристика
Рис.2.Модуляционная характеристика

Зависимость слегка нелинейная и в "чистом виде" может применяться для передачи обычной речевой информации. О способах линеаризации поговорим позднее.

Для устранения из спектра постоянной составляющей и чётных гармоник, помимо фильтрации, используют биполярную импульсную последовательность, например, приведенную на рис.3:

Рис.3.Вариант биполярной последовательности импульсов
Рис.3.Вариант биполярной последовательности импульсов
Рис.3.Вариант биполярной последовательности импульсов

Для проверки способа амплитудной ШИМ-модуляции применим инструментарий MULTISIM-14 и следующую схему, рис.4:

Рис.4.Схема проверки амплитудной ШИМ-модуляции
Рис.4.Схема проверки амплитудной ШИМ-модуляции
Рис.4.Схема проверки амплитудной ШИМ-модуляции

Модельную схему можно скачать на сайте "Практическая электроника" : http://www.radio-a.ru в описании "РАДИОПЕРЕДАТЧИКИ / "РПД-А" передатчики класса "E" с амплитудной ШИМ-модуляцией, файл "РПД-АМ-ШИМ-генерация".zip"

Генератор биполярного сигнала в схеме реализован с помощью генератора прямоугольных сигналов XSC1 и линии задержки A1. Ширина импульсов регулируется параметрами генератора.

Частота генератора выбрана в 1 МГц, как одна из рабочих. Далее "поработаем" с частотой повыше.

Фильтрация первой гармоники в схеме выполняется с помощью обычного кауэровского фильтра НЧ третьего порядка, который по сложности близок к обычному "П-фильтру", но вдвое превосходит его по фильтрующим свойствам. Верхняя граница ФНЧ для рассматриваемого случая выбрана в 1.2 МГц, то есть чуть выше рабочей частоты. Нагрузка фильтра - эквивалентное сопротивление 50 Ом.

АЧХ фильтра измеряется с помощью элемента Bode-Plotter XBP1. Амплитуда сигнала в нагрузке измеряется с помощью простого диодного амплитудного детектора на основе D3 и мультиметра XMM1.

Результаты измерений соответствуют ожидаемым. Амплитудная модуляция глубиной ~99% достигается изменением ширины импульса в диапазоне от 1...50 % или скважности "q" от 100 до 2 единиц, Рис.5:

Рис.5.Измеренные параметры ШИМ-модулятора
Рис.5.Измеренные параметры ШИМ-модулятора
Рис.5.Измеренные параметры ШИМ-модулятора

Про сами АМ-ШИМ модуляторы и коррекцию характеристики поговорим попозже. Сейчас - про преобразование АМ-ШИМ сигналов в аналоговые, с помощью фильтра НЧ в выходном каскаде передатчика и нагрузке (антенне).

Вариантов реализации выходных каскадов для передатчиков с ШИМ модуляцией множество. Для примера, рассмотрим два варианта схемы.

Первый вариант, простой, на основе двух биполярных транзисторов, рис.6:

Рис.6. Простой выходной каскад на основе двух биполярных транзисторов
Рис.6. Простой выходной каскад на основе двух биполярных транзисторов
Рис.6. Простой выходной каскад на основе двух биполярных транзисторов

Отличительные особенности: двухтактный каскад с двуполярным питанием и выходным ФНЧ кауэровского типа 5-го порядка.

Устройство смоделировано для рабочей частоты 10 МГц. Мощность в нагрузке ~ 50 Вт. КПД ~ 50%. При необходимости расширения параметров в сторону увеличения частоты или мощности, необходимо применить более скоростные или более мощные транзисторы и пересчитать параметры согласующего звена и ФНЧ.

Модельную схему для MULTISIM-14 можно скачать для самостоятельных экспериментов на сайте "Практическая электроника" : http://www.radio-a.ru в описании " РАДИОПЕРЕДАТЧИКИ / "РПД-А" передатчики класса "E" с амплитудной ШИМ-модуляцией, файл "РПД-АМ-ШИМ-2БИП".zip"

Второй вариант - на основе восьми MOSFET транзисторов и двухтактного выходного каскада, рис.7.

Практическая схема для любительского передатчика диапазона "80 метров", мощностью 400 Вт. Взята отсюда: http://www.classeradio.com/8_fet.htm

Рис.7.Мощный выходной каскад передатчика класса "E"
Рис.7.Мощный выходной каскад передатчика класса "E"
Рис.7.Мощный выходной каскад передатчика класса "E"

C помощью этого каскада можно сформировать мощный АМ, ФМ, ЧМ сигнал в нагрузке. Тема передатчиков класса "E" весьма популярна и считается перспективной на Западе.

В отечественной электронике тема ШИМ-модуляции представлена, например, в мощном оборудовании для акустической связи и локации "СОНАР" и "ГРАНИТ" фирмы "ИЦ НЕВСКИЙ".

Вы можете самостоятельно разобраться с режимами, исследуя ШИМ-передатчики с помощью инструментария MULTISIM. Скачайте модельные схемы, назначьте параметры цепей и изучайте, прежде, чем брать в руки паяльник.

Во второй части разберёмся с ШИМ-модуляторами, АМ, ФМ и ЧМ. А далее - со способами повышения КПД и эффективности этих передатчиков.

Всем привет!

Есть вопросы - задавайте.

Приглашаю посетить наш сайт: "Практическая электроника".