Generazione di onde portanti FM


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Sto cercando di capire come funziona il seguente schema radio FM.

inserisci qui la descrizione dell'immagine

In particolare, voglio sapere come viene generata l'onda portante. Capisco il concetto di un serbatoio LC e penso di vederlo lì in alto a destra, ma ciò che non capisco è come inizia l'oscillazione / risonanza. Tutti gli esempi che sto vedendo online mostrano l'uso di un generatore di frequenza per far "andare" un serbatoio LC. Ovviamente non c'è generatore di frequenza collegato a questo piccolo (semplice) circuito.

Ho chiesto a un amico e mi ha detto che sospettava che fossero coinvolti i transistor, il che ha senso, ma spero che qualcuno possa spiegarmelo in modo più dettagliato o se è troppo coinvolto per rispondere qui, indicami alcune risorse (libri, siti Web, video, ecc.) per farmi muovere nella giusta direzione.

Grazie!

Aggiornamento
Mille grazie per tutte le fantastiche informazioni. Dopo aver appreso che si tratta di un oscillatore Colpitts sono stato in grado di trovare le seguenti risorse che forniscono ulteriori dettagli. Sto postando qui per il mio riferimento futuro e per quelli che potrebbero trovare utile questa domanda:
Wikipedia
Ulteriori informazioni su Elettronica
Video YouTube
Un esempio basato su breadboard
Falstad Circuit Simulator
Ulteriori informazioni su elettronica


Per circuiti così semplici ha spesso senso simularlo per capirli.
PlasmaHH,

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Stai suggerendo di simularlo con il software? In tal caso, quale pacchetto suggerisci? Spezia?
Matt Ruwe,

Ho avuto in qualche modo la stessa domanda. electronics.stackexchange.com/q/86100/22607
Parth Parikh

@ParthParikh La tua domanda è simile ma focalizzata sulla modulazione di frequenza mentre la mia domanda riguarda la generazione di onde portanti.
Matt Ruwe,

@MattRuwe: non sono sicuro di cos'altro si possa usare del software. E usa qualunque cosa sia ragionevolmente realistica, la maggior parte dei pacchetti di spezie funzionerà, personalmente uso spesso ltspice.
PlasmaHH,

Risposte:


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Q2 e il circuito attorno ad esso formano un oscillatore di Colpitts . Questo sfrutta il fatto che un transistor nella configurazione di base comune può avere un guadagno di tensione dall'emettitore al collettore. Considera questo semplice circuito:

Quando IN è polarizzato in modo che OUT sia vicino al centro del suo intervallo, allora piccole variazioni di tensione in IN causano grandi variazioni di tensione in OUT. Il guadagno è in parte proporzionale a R1. Maggiore è R1, maggiore è la variazione di tensione risultante da una piccola variazione di corrente. Si noti inoltre che la polarità viene preservata. Quando IN scende un po ', OUT scende molto.

Un oscillatore Colpitts sfrutta questo guadagno maggiore dell'unità di un amplificatore base comune. Invece che il carico sia R1, viene utilizzato un circuito di serbatoio risonante parallelo. Un serbatoio risonante parallelo ha una bassa impedenza tranne nel punto di risonanza, in cui ha un'impedenza infinita in teoria. Poiché il guadagno dell'amplificatore dipende dall'impedenza legata al collettore, avrà molto guadagno alla frequenza di risonanza, ma quel guadagno scenderà rapidamente al di sotto di 1 al di fuori di una banda stretta attorno a quella frequenza.

Finora, ciò spiega Q2, C4 e L1. C5 alimenta un po 'della tensione di uscita dell'amplificatore base comune da OUT a IN. Poiché il guadagno nel punto di risonanza è maggiore di uno, questo fa oscillare il sistema. Alcune delle modifiche in OUT vengono visualizzate in IN, che viene quindi amplificato per apportare una modifica più ampia in OUT, che viene restituito a IN, ecc.

Ora posso sentirti pensare, ma la base di Q2 non è legata a una tensione fissa come nell'esempio sopra . Quello che ho mostrato sopra funziona in DC, e ho usato DC per spiegarlo perché è più facile da capire. Nel tuo circuito, devi pensare a cosa succede all'AC, in particolare alla frequenza oscillante. A quella frequenza, C3 è un corto. Poiché è legato a una tensione fissa, la base di Q2 è essenzialmente mantenuta a una tensione fissa dal punto di vista della frequenza oscillante . Si noti che a 100 MHz (nel mezzo della banda FM commerciale), l'impedenza di C2 è di soli 160 mΩ, ovvero l'impedenza con cui la base di Q2 viene mantenuta costante.

R6 e R7 per una rete di polarizzazione DC grezza per mantenere Q2 abbastanza vicino al centro della sua gamma operativa per tutto quanto sopra essere valido. Non è particolarmente intelligente o robusto, ma probabilmente funzionerà con la giusta scelta di Q2. Si noti che le impedenze di R6 e R7 sono ordini di grandezza superiori all'impedenza di C3 alla frequenza oscillante. Non contano affatto per le oscillazioni.

Il resto del circuito è semplicemente un amplificatore normale e non particolarmente intelligente o robusto per il segnale del microfono. R1 polarizza il (presumibilmente) microfono ad elettrete. C1 accoppia il segnale del microfono all'amplificatore Q1 mentre blocca DC. Ciò consente ai punti di polarizzazione CC del microfono e Q1 di essere indipendenti e di non interferire tra loro. Poiché anche l'audio HiFi scende solo a 20 Hz, possiamo fare ciò che vogliamo con il punto DC. R2, R3 e R5 formano una rete di polarizzazione grezza, che lavora contro il carico di R4. Il risultato è che il segnale del microfono è amplificato, con il risultato che appare sul collettore di Q1.

C2 accoppia quindi questo segnale audio all'oscillatore. Poiché le frequenze audio sono molto più basse della frequenza oscillante, il segnale audio che passa attraverso C2 perturba effettivamente un po 'il punto di polarizzazione di Q2. Ciò modifica leggermente l'impedenza di guida vista dal serbatoio, il che modifica leggermente la frequenza di risonanza a cui corre l'oscillatore.


Penso che dovrò leggerlo alcune volte per capire appieno, ma questa sembra la risposta che volevo. Anche le altre risposte sono buone, ma purtroppo posso accettarne solo una.
Matt Ruwe,

@Matt: Se spieghi esattamente cosa non capisci, posso forse approfondire su questo punto.
Olin Lathrop,

Tutto ha senso, ho solo bisogno di fare un po 'di sperimentazione per applicare tutto ciò che hai menzionato. Ti farò sapere se ho ancora domande dopo.
Matt Ruwe,

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In quello schema Q1 è un amplificatore audio di classe A con un guadagno di circa 50-100. È usato per guidare lo stadio dell'oscillatore - Non sono mai stato molto bravo a riconoscere i tipi di oscillatore [si scopre che Q2 è un oscillatore Colpitts] con C4 / L1 @ ~ 110 MHz. Se la mia memoria mi serve correttamente, C5 aumenta l'effetto del mugnaio per portare Q2 in uno stato instabile e auto-oscillante.

EDIT : vedi la risposta di Kevin White su come funziona la modulazione in questo circuito.


Non è un oscilatore collpits? hartley è 2L 1C. collpits è 2C e 1L.
Bruce,

Quindi perché non sono bravo a riconoscere i tipi di oscillatore MrGreen.

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trucco per ricordarli: i colpevoli iniziano con una C (apacità) quindi 2 * C e Hartley inizia con H (enry) quindi 2 * L
Bruce

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Q2 è configurato come ciò che è noto come un oscillatore Colpitts. C5 invia il segnale dal collettore all'emettitore. Un componente importante nell'oscillatore di Colpitt è un secondo condensatore che non esiste come componente fisico ed è l'emettitore per basare la capacità di Q2.

Come accennato, il serbatoio LC forma un circuito risonante alla frequenza di trasmissione.

Per fare in modo che un oscillatore abbia bisogno di qualcosa di più di un semplice circuito risonante, ha bisogno di un amplificatore per compensare le perdite dovute alla resistenza dell'induttore e al fatto che parte della potenza viene irradiata.

Il transistor Q2 forma un amplificatore portando parte del segnale attraverso C5 all'emettitore, una versione amplificata del segnale appare quindi sul collettore nel serbatoio LC. Questo segnale viene quindi inviato all'emettitore per essere ulteriormente amplificato e così via.

Questo è chiamato feedback positivo e il segnale continuerà ad aumentare fino a quando non è limitato da qualcosa come raggiungere l'ampiezza della power rail o non linearità in Q2 che limita l'ampiezza. Ha solo bisogno di un segnale infinitesimale per avviare le cose e le oscillazioni si accumuleranno rapidamente.

Come iniziano le cose? Come afferma Martin, può iniziare dal disturbo causato dall'accensione ma non è necessario. Qualsiasi circuito elettronico pratico genera ciò che viene definito rumore (ad esempio il sibilo sullo sfondo dell'audio). Anche se questo è solo qualche milionesimo di volt, si accumulerà come ho descritto nel paragrafo precedente.

Cosa fa Q1?

Q1 amplifica il segnale dal microfono a un livello di 10 o 100 di millivolt che viene inviato all'oscillatore Q2. Sebbene abbia affermato che la frequenza di oscillazione è determinata dal serbatoio LC, è anche influenzata dalle caratteristiche del transistor Q2. Quando la tensione di ingresso da Q1 viene alimentata a Q2, cambia leggermente le sue caratteristiche e varierà la frequenza di oscillazione che causa FM.

Varia anche l'ampiezza dell'oscillazione e provoca anche la modulazione dell'ampiezza (AM), ma un ricevitore FM lo ignorerà.


Sei sicuro che la piccola modulazione causata dalle diverse caratteristiche del Q2 è quella che i sintonizzatori cattureranno? Da ciò che ricordo dei miei corsi di teoria dei segnali (e mi ha colpito in quel momento) ci ha detto l'insegnante poiché gli spettri AM e FM a banda stretta sono praticamente identici (ricordo di aver studiato le equazioni anche se non le ricordo più, ricordo solo che erano identiche ) puoi effettivamente demodulare un segnale modulato in ampiezza su un sintonizzatore FM commutato su banda stretta.

Gli spettri di AM e FM a banda stretta sono molto simili ma non identici; le due bande laterali sono opposte in fase con FM. Ho il sospetto che potresti ricevere il segnale AM ​​sul ricevitore FM o perché non aveva un rifiuto AM molto buono o dovevi modificarlo leggermente.
Kevin White,

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Per quanto riguarda l'avvio del circuito oscillatore, sospetto che C3 sia la parte importante. Nel primo momento in cui viene applicata l'alimentazione, C3 è sostanzialmente un corto circuito e attiva Q2. Ciò fornisce energia per l'oscillazione iniziale. C5 fornisce quindi un feedback positivo per sostenere l'oscillazione.

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