Как работает кольцевой балансный модулятор

Р, 1955, №6

Часто применяющийся в аппаратуре дальней связи кольцевой балансный модулятор, схема которого приведена на рис. 1, в настоящее время начинает использоваться радиолюбителями-коротковолновиками для преобразования частот в диапазонных возбудителях с кварцевой стабилизацией (см. статью Л. Лабутина «Диапазонный возбудитель с кварцевой стабилизацией» в «Радио» № 5 за 1955 год). Это объясняется тем, что такой модулятор даёт на выходе наименьшее по сравнению с другими типами преобразователей количество вредных дополнительных комбинационных частот.

Принципиальная схема кольцевого балансного модулятора

Рис. 1. Принципиальная схема кольцевого балансного модулятора

Для того чтобы понять, как работает кольцевой балансный модулятор, разберёмся сначала в том, что происходит в цепи, состоящей из генератора переменного напряжения, диода и батареи с переключателем П1, позволяющим изменять направление её включения (рис. 2, а).

принципиальная схема, поясняющая принцип действия кольцевого балансного модулятора

Рис. 2. а - принципиальная схема, поясняющая принцип действия кольцевого балансного модулятора; б - графическое изображение тока в цепи в зависимости от направления включения батареи.

Известно, что ток через диод может протекать только в одном направлении. Это направление называют прямым. Если напряжение батареи выбрать больше амплитуды напряжения генератора, то, когда переключатель П1 будет находиться в положении 1, в цепи потечёт пульсирующий ток, а при положении 2 переключателя П1 тока в цепи не будет (рис. 2, б). При включении в такую цепь первичной обмотки трансформатора Тр1 в его вторичной обмотке будет наводиться напряжение, пропорциональное напряжению генератора, только тогда, когда переключатель П1 установлен в положение 1. Меняя полярность включения батареи, мы изменяем сопротивление диода от некоторой малой величины Ri, зависящей от свойств диода (переключатель находится в положении 1, диод открыт), до очень большой величины (переключатель П1 установлен в положение 2, диод закрыт). В кольцевом балансном модуляторе одно из двух преобразуемых напряжений, имеющее частоту f1 подаётся на обмотку I трансформатора Тр1. Второе напряжение, имеющее частоту f2, подаётся на средние точки обмоток II трансформаторов Tp1 и Тр2 и служит для изменения сопротивления диодов. Его частота f2 должна быть больше частоты f1 На рис. 3, а и б показаны эквивалентные схемы кольцевого балансного модулятора для двух полупериодов напряжения с частотой f2. На схеме сплошными стрелками обозначено направление тока с частотой f2, а пунктирными - с частотой f1. Ток с частотой f2 не может создать напряжения в обмотке I трансформатора Тр2, так, как он протекает в половинах катушки II в разные стороны. Создать напряжение в обмотке I трансформатоpa Tp2 может ток, протекающий по обмотке II в одном направлении. Величина этого тока пропорциональна мгновенному значению напряжения с частотой f1, а направление изменяется через каждый полупериод частоты f2. На рис. 4 показаны напряжения Uf1, Uf2 и U в случае, когда частота f2 в десять раз больше частоты f1.

image

Рис. 3. Эквивалентные схемы кольцевого балансного модулятора для двух полупериодов несущей частоты

Известно, что всякую периодически изменяющуюся во времени величину, в частности и напряжение U, можно разложить на сумму величин, изменяющихся во времени по синусоидальному закону. Для того чтобы определить амплитуды и частоты синусоидальных напряжений, из которых состоит выходное напряжение U, нужно познакомиться с векторным изображением периодически изменяющихся во времени величин.

image

Рис. 4. Зависимость от времени преобразуемых и выходного напряжений кольцевого балансного модулятора.

Представим себе неподвижный вектор ОА, вокруг начала которого (точка О) в плоскости рис. 5, а вращается с постоянной угловой скоростью ω=2πf рад/сек прямая. Точка О делит эту прямую на положительную и отрицательную полупрямые. Величина проекции вектора ОА на эту прямую Оа будет изменяться во времени по синусоидальному закону. Проекция какого-либо другого вектора на эту же ось будет изображаться синусоидой, сдвинутой по фазе по отношению к первой. Амплитуда этой синусоиды будет равна абсолютной величине этого вектора, а сдвиг фазы в угловой мере будет соответствовать углу между векторами. Таким образом, любой изменяющейся во времени по синусоидальному закону с частотой f величине будет соответствовать неподвижный вектор, имеющий определённую величину и положение в плоскости рис. 5, а. На рис. 5, а показаны два сдвинутые на 180° вектора, имеющие одинаковую величину. Соответствующие им синусоиды показаны на рис. 5, б. На рис. 5, в показана зависимость амплитуды колебаний, или, что то же самое, величины этих векторов от времени. Таким образом, вектор OA изображает в плоскости рис. 5, а синусоидальное напряжение и с частотой f, поэтому его можно назвать «вектором величины u». Если синусоидальное напряжение модулировано по амплитуде, то величина изображающего его вектора изменяется во времени. На рис. 6 показаны модулированное напряжение и зависимость соответствующего ему изображающего вектора от времени, причём частота f2 (несущая) выбрана в десять раз больше частоты модулирующего напряжения f1, т. е. соотношение между ними такое же, как и для рис. 4. Вектор, изменяющийся во времени, можно получить, складывая вектор постоянной величины с вектором, величина и направление которого меняются (рис. 7, а). Нетрудно видеть, что период изменения его величины должен быть равен периоду модулирующей частоты f1. В свою очередь и этот вектор можно получить, складывая два равномерно вращающихся в разные стороны вектора.

Векторное изображение синусоидальных напряжений

Рис. 5. Векторное изображение синусоидальных напряжений

Расположение вращающихся векторов в зависимости от времени показано на рис. 7, б. Как видно из рис. 7, а и б, за время одного периода модулирующей частоты f1 эти векторы сделают один оборот. Следовательно, вектор, поворачивающийся против часовой стрелки, будет иметь по отношению к вращающейся по часовой стрелке с угловой скоростью ω=2πf2 рад/сек прямой, угловую скорость, равную сумме их скоростей, т. е. напряжение, соответствующее этому вращающемуся вектору, будет иметь частоту, равную сумме частот несущего и модулирующего напряжений.

Модулированное напряжение и зависимость изображающего его вектора от времени

Рис. 6. Модулированное напряжение и зависимость изображающего его вектора от времени

Рассуждая таким же образом, легко увидеть, что частота напряжения, соответствующего вектору, вращающемуся по часовой стрелке, будет равна разности несущей и модулирующей частот.

Временное и векторное изображения напряжений боковых частот модулированного колебания

Рис. 7. Временное и векторное изображения напряжений боковых частот модулированного колебания

Таким образом, напряжение, показанное на рис. 7, в, соответствующее вектору рис. 7, а, является суммой двух синусоидальных напряжений с частотами f2+f1 и f2-f1. Это напряжение очень похоже на выходное напряжение кольцевого балансного модулятора U (рис. 4). Некоторое различие в формах этих напряжений объясняется тем, что на выходе кольцевого балансного модулятора, кроме суммарной и разностной частот преобразуемых колебаний, имеются ещё напряжения с частотами n * f1+-f2, где n может принимать значения 3, 5, 7 и т. д. Однако эти напряжения легко могут быть отфильтрованы.

Желающие более подробно познакомиться с анализом работы кольцевого балансного модулятора могут найти интересующие их сведения в книге Н. Баева и К. Егорова «Основы дальней связи» (Связьиздат, 1948 г.).

С. Ершов

BACK MAIN PAGE

Рейтинг@Mail.ru