ГЕНЕРАТОР АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
GENERATOR OF AMPLITUDE-MODULATED SIGNALS

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно электронике и радиотехнике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей генераторов амплитудно-моделированного (AM) выходного напряжения.
Сущность изобретения состоит в том, что в генераторе AM применен новый способ управления ключами мостовой схемы с помощью двух блоков подачи управляющих импульсов.
Известны усилители амплитудно-модулированных колебаний («Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме», В.Б. Козырев и др. М.: Радио и связь, 1985 г., с. 172-178). Такой усилитель содержит высокочастотный двухтактный генератор и широтно-импульсный модулятор. Выходной каскад модулятора осуществляет усиление широтно-импульсного модулированного (ШИМ) сигнала и его обратное преобразование при помощи фильтра низкой частоты.
Наряду с достоинством таких усилителей известны и их недостатки, связанные с необходимостью подавления продуктов ШИМ, для него используются многоканальные схемы.
Аналогом является изобретение «Передатчик амплитудно-модулированных сигналов» по а.с. N 1665517 А1, кл. Н04В 1/04, опубл. 23.07.91, Бюл. N 27. Такой передатчик содержит два ключевых двухтактных усилителя, широтно-импульсный модулятор, возбудитель, полосовой фильтр (колебательную систему) силовой источник питания и два элемента совпадения.
Два ключевых двухтактных усилителя этого передатчика образуют мостовую схему резонансного инвертора. На входы первого ключевого двухтактного усилителя поступают управляющие противофазные сигналы типа «меандр» от возбудителя непрерывно, а на выходы второго ключевого двухтактного усилителя от возбудителя поступают «пачки» импульсов, при этом длительность «пачки» определяется широтно-импульсным модулятором и формируется с помощью двух схем совпадения. В результате этого к входу выходного полосового фильтра прикладываются радиоимпульсы, длительность которых определяется широтно-импульсным модулятором. Благодаря сокращению числа преобразований в таком передатчике может быть достигнут высокий КПД.
Однако этот передатчик не лишен известных недостатков, связанных с возможностью прохождения «сквозных» токов через транзисторы, а также необходимостью подавления тактовой частоты и ее продуктов.
В качестве прототипа была принята схема, описанная в патенте №2123760 «Передатчик амплитудно-модулированных сигналов», дата публикации 20.12.1998 г.
Данный передатчик содержит два ключевых двухтактных усилителя с четырьмя коммутирующими приборами, собранными по схеме моста, колебательную систему (резонансный контур или П-образный фильтр), силовой источник питания, широтно-импульсный модулятор, возбудитель, а также два индуктивных накопителя энергии. В качестве коммутирующих приборов ключевых двухтактных усилителей в данном передатчике могут использоваться генераторные лампы L1 … L4 или транзисторы. При этом в левом и правом плечах моста они включены встречно.
Прототип работает следующим образом.
С выхода возбудителя сигналы типа «меандр» несущей частоты передатчика поступают на вход широтно-импульсного модулятора, на второй вход которого поступает модулирующий сигнал низкой частоты. Широтно-импульсный модулятор преобразует поступающий сигнал в последовательность импульсов, длительность которых пропорциональна мгновенному значению входного напряжения низкой частоты, а частота равна несущей частоте передатчика. С выходов широтно-импульсного модулятора эти сигналы поступают на коммутирующие приборы первого ключевого двухтактного усилителя, в результате чего от силового источника питания осуществляется подзарядка индуктивных накопителей энергии. С других выходов сигналы типа «меандр» поступают на коммутирующие приборы второго ключевого двухтактного усилителя.
Формирование амплитудно-модулированного сигнала в таком передатчике осуществляется путем периодической подзарядки двух индуктивных накопителей энергии в течение части полупериода высокочастотных колебаний и передачей энергии колебательной системе в течение последующего полупериода. Удержание тока индуктивных накопителей энергии в течение паузы, когда подзарядка не производится, поочередно выполняется коммутирующими приборами, которые одновременно осуществляют передачу энергии колебательной системе.
Однако этот передатчик не лишен известных недостатков, связанных с необходимостью применения 2-х силовых дросселей и диодов.
Нами предложена схема генератора амплитудно-модулированных сигналов, не имеющая этих недостатков, более простая и способная работать практически на любую мощность.
Фиг. 1 представляет собой структурно-функциональную схему генератора AM колебаний. Она содержит:
- силовой источник питания 1;- ключевые силовые транзисторы 2-5;
1
- первый блок управления 6 транзисторами 2,4, который представляет собой генератор прямоугольного напряжения с несущей частотой ƒ;
2
- второй блок управления 7 транзисторами 3, 5 источник модулирующего напряжения (сигнала низкой частоты) с частотой ƒ;
3
1
2
- сумматор с усилителем 8 для получения частоты ƒ=ƒ-ƒ;
- колебательную систему (резонансный LC контур);
- нагрузку 9.
Транзисторы 2,5 соединены по мостовой схеме, причем транзисторы 2,4 и 3,5 составляют соответственно левое и правое плечи. К диагонали постоянного напряжения этого моста подключен силовой источник питания 1, а в диагональ переменного напряжения включен резонансный контур LC с нагрузкой 9.
Транзисторы в плечах включены последовательно и однонаправленно. При таком включении транзисторов есть возможность протекания «сквозных» токов, но в предлагаемой схеме она исключена, так как, во-первых, вторая пара транзисторов включается только после запирания транзисторов предыдущей пары. Во-вторых, благодаря использованию датчиков тока блокируются сигналы управления блоков 6,7.
Кроме того, блоки управления 6,7 этими транзисторами генерируют прямоугольные импульсы управления с фиксированной шириной, причем длительность их всегда и гарантированно меньше, чем половина периода колебаний во избежание появления сквозных токов в транзисторных плечах моста.
Блок управления 6 левого плеча транзисторов 2 и 4 является ведущим по отношению к блоку 7, который синхронизируется от него. Таким образом, включение и запирание транзисторов 2, 5 происходит одновременно. В другую половину периода колебаний тока в диагонали переменного напряжения также одновременно происходит коммутация транзисторов 3,4.
Таким образом, в результате попарно-перекрестной коммутации транзисторов в плечах моста на входе резонансной колебательной системы с нагрузкой 9 возникает 2-х полярное, прямоугольное по форме напряжение. С помощью резонансного LC- контура в нагрузке 9 выделяется 1 -я гармоника этого прямоугольного по форме напряжения.
На фиг. 2 представлены эпюры, поясняющие работу генератора. На данной фигуре прямоугольное входное напряжение на резонансном LC- контуре (по форме повторяющее управляющие сигналы транзисторов 2,3 и 4, 5) и синусоидальное выходное напряжение на нагрузке 9. Напряжение на нагрузке представляет собой синусоиду, что и требуется при «симметричной» работе 2-х плеч транзисторного моста, то есть когда частоты их коммутации одинаковы, благодаря синхронизации работы блоков управления 6 и 7.
1
2
Для получения модулированной синусоиды в нагрузке 9 необходимо в схему ввести блок 8, который вместе с блоком управления 7 обеспечивает отпирание транзисторов 3 и 5. Как было сказано выше, несущая частота во много раз больше частоты источника модулирующего напряжения 8. Таким образом, на импульсы сигналов управления несущей частоты наложен сигнал медленно меняющегося модулирующего напряжения. При повышении этого напряжения уменьшается длительность протекания тока в транзисторах 3 и 5, что приводит к уменьшению синусоидального напряжения в нагрузке. Этим обеспечивается неодновременное отпирание транзисторов 3 и 5 по отношению к транзисторам 2 и 4. Принцип амплитудной модуляции изложен в частности в работе «Основы радиоэлектроники: Учеб. Пособие. / Ю.И. Волощенко и др.; под ред. Г.Д. Петрухина. - М.: Изд-во МАИ, 1993, - С. 242-249». Согласно ему, два параллельно (или последовательно) соединенных источника гармонического напряжения ƒ и ƒ дают на нагрузке напряжение с частотами
3
1
2
1
2
3
1
2
3
ƒ=ƒ-ƒ при условии, что частота ƒ >> ƒ (в 100 и более раз). Как правило, используется частота ƒ, где ƒ - частота несущего сигнала, ƒ - частота модулирующего сигнала, ƒ - частота сигнала на выходе сумматора.
3
1
1
3
На фиг. 3 представлены две эпюры напряжения: верхняя кривая - модулированное по ширине импульса прямоугольное входное напряжение на резонансном LC- контуре, а нижняя - модулированное синусоидальное выходное напряжение на нагрузке 9. Верхняя кривая представляет собой прямоугольное напряжение с переменной длительностью каждого импульса, так как из-за «несимметричного» управления транзисторов 2,4 левого плеча моста и 3,5 правого плеча происходит наложение промежутков их открытого состояния. На диаграмме видно, что в тот момент времени, когда импульсы тока левого и правого плеч моста находятся в противофазе и напряжение на резонансном LC- контуре равно нулю. Как было отмечено выше, если прямоугольное напряжение подать на вход резонансного LC- контура, то на нагрузке 9 будет выделяться его первая гармоника, причем, чем больше длительность прямоугольного импульса, тем будет больше амплитуда выделенной гармоники напряжения на нагрузке. Таким образом, в нагрузке 9 напряжение будет иметь форму синусоиды частотой ƒ, но «составленную» из гармоник несущей частоты ƒ. Здесь следует отметить тот факт, что на колебательный контур LC подаются импульсы с высокими частотами ƒ и ƒ, поэтому габариты контура весьма малы. Таким образом, обеспечиваются условия для создания генератора с выходным амплитудно-модулированным сигналом с повышенным КПД: силовые транзисторы генерируют прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, так как транзисторы работают в ключевом режиме. Резонансный фильтр выделяет первую гармонику для формирования амплитудно-модулированного сигнала низкой частоты.
Новизна заявляемой схемы заключается в том, что нет необходимости в использовании силовых дросселей и диодов. Дроссели накапливают энергию через коммутирующие устройства (генераторные лампы или силовые транзисторы), а диоды направляют разрядный ток дросселей в колебательный контур с нагрузкой, отсекая его путь в источник питания. Именно из-за необходимости использования этих громоздких элементов в схеме прототипа КПД ее не может быть высоким. В предлагаемой схеме энергия потерь определяется только силовыми транзисторами, работающими в ключевом режиме.