Мет.Нелин.цепи(испр). Методические указания по подготовке, выполнению и защите лабораторных работ по разделу Нелинейные радиотехнические цепи
 Скачать 1.02 Mb.
|
|
1. Методические указания Основной задачей радиотехники является передача информации на расстояние с помощью электрических сигналов. Решение этой задачи технически возможно только в том случае, если сигналы и их спектры в процессе передачи подвергаются нелинейным радиотехническим преобразованиям, среди которых важнейшими являются преобразование частоты, модуляция и детектирование. Эти преобразования сопровождаются изменением частотного состава в спектре сигналов и поэтому не могут быть реализованы в линейных цепях с постоянными параметрами. В данной лабораторной работе изучаются процессы преобразования частоты радиосигналов в нелинейных цепях. Преобразование частоты - это перенос (транспонирование) спектра сигнала вдоль частотной оси без изменения структуры его спектральной функции (рис.3.1б). Обычно преобразованию частоты подвергаются относительно узкополосные модулированные колебания, то есть, радиосигналы. Транспонирование спектра радиосигнала сопровождается увеличением или уменьшением частоты несущего колебания при сохранении неизменными законов амплитудной, частотной или фазовой модуляции. Например, как показано на рис.3.1, в результате преобразования частоты «вниз» амплитудно-модулированный радиосигнал u1(t), несущая частота которого 1 и огибающая A(t), превращается в радиосигнал u2(t) с меньшей несущей частотой 2, но с такой же огибающей. Спектры радиосигналов u1(t) и u2(t) совпадают по форме, но отличаются значениями частот гармоник.
П  ринцип осуществления преобразования частоты можно пояснить на примере обобщенного нелинейного преобразователя, в схеме которого (рис.3.2) имеются последовательно соединенные нелинейный элемент с характеристикой i(u) и линейный элемент с частотно-зависимым сопротивлением Z(). На вход такой схемы подается напряжение в виде суммы преобразуемого радиосигнала u1(t) и вспомогательного гармонического колебания uг(t), называемого напряжением гетеродина.
Спектр входного напряжения (рис.3.3а) состоит из гармоники с частотой г (напряжение гетеродина) и нескольких гармоник, составляющих радиосигнал u1(t), с частотами, близкими к несущей частоте 1. Спектр тока i(t) содержит как гармоники с частотами входного напряжения, так и приобретенные в результате нелинейности гармоники с кратными и комбинационными частотами (рис.3.3б). Для транспонирования спектра полезной является группа комбинационных гармоник, частоты которых равны разности (или сумме) частот спектра входного сигнала и частоты гетеродина. Эта группа сосредоточена в спектре тока вблизи частот 1-г (или 1+г) и является копией спектра входного радиосигнала, перенесенного вдоль оси частот «вниз» (или «вверх»).
Напряжение на выходе обобщенного преобразователя формируется из гармоник тока, создающих падение напряжения на частотно-зависимом сопротивлении Z(). Это сопротивление выбирается большим в диапазоне частот, в котором сосредоточены полезные компоненты тока (например, как показано на рис.3.3б, вблизи частот 1-г), и малым за пределами этого диапазона. Тогда в спектре напряжения на выходе преобразователя будут содержатся только гармоники с частотами, близкими к 2=1-г (рис.3.3в), что и соответствует транспонированию спектра «вниз». Таким образом, схема преобразователя частоты должна содержать нелинейный элемент и частотно-избирательную нагрузку. Задачей нелинейного элемента является создание в спектре тока комбинационных гармоник, отсутствующих во входном сигнале, но необходимых для формирования выходного сигнала. Задачей частотно-избирательной нагрузки является выбор из спектра тока указанных гармоник, и подавление всех других. Подобная фильтрация возможна, если в диапазон частот, в котором сосредоточена группа полезных комбинационных гармоник, не попали гармоники других типов. В качестве нелинейного элемента в схеме преобразователя обычно применяют полупроводниковые диоды или транзисторы с квадратичными характеристиками. Количество гармоник тока, создаваемых нелинейным элементом с квадратичной характеристикой, минимально возможное, и поэтому фильтрация полезных гармоник упрощается. В качестве частотно-зависимого сопротивления обычно применяется параллельный колебательный контур, настроенный на среднюю частоту выходного сигнала. Полоса пропускания контура выбирается на основе разумного компромисса между допустимой неравномерностью функции Z() в полосе частот выбираемых гармоник тока и степенью подавления нежелательных гармоник (рис. 3.3б). В данной лабораторной работе исследуется преобразователь частоты на полевом транзисторе. Принципиальная схема преобразователя приведена на рис.3.4. Основными элементами схемы являются соединенные последовательно транзистор, параллельный колебательный контур и батарея питания цепи стока Ес. Резисторы R1, R2 и конденсатор C1, создают на затворе транзистора постоянное напряжение смещения, необходимое для обеспечения работы на квадратичном участке характеристики транзистора ic(uз). Напряжение гетеродина uг(t) от внешнего генератора подводится к резистору R3, в результате чего напряжение между истоком и затвором транзистора в соответствии с законом Кирхгофа оказывается равным:  (3.1)где Eсм - напряжение на конденсаторе C1, (напряжение смещения), uг(t)=Uгcosгt - гармоническое напряжение гетеродина и  (3.2)– входной модулированный радиосигнал. Нагрузкой в цепи стока является параллельный колебательный контур, настроенный на среднюю частоту спектра выходного сигнала. Требуемая ширина полосы пропускания контура устанавливается с помощью резистора R.
Преобразование частоты осуществляется в цепи стока транзистора благодаря нелинейности характеристики ic(uз). Небольшой участок этой характеристики вблизи напряжения запирания можно аппроксимировать полиномом второй степени:  (3.3)Частотный состав тока ic(t) можно найти посредством подстановки мгновенного значения напряжения на затворе (3.1) в степенной полином (3.3) и преобразования полученного соотношения с помощью тригонометрических формул кратных углов и произведений. Выполнив указанные действия, можно выразить ток стока в виде следующей суммы:  (3.4)Каждое из слагаемых тока является узкополосным процессом, частотный спектр которого группируется вблизи его несущей частоты (рис.3.3б). Для преобразования частоты «вниз» используется последнее слагаемое, несущая частота которого (1-г) посредством выбора частоты гетеродина (г=1-2) устанавливается равной заданной средней частоте выходного сигнала 2. Контур в цепи стока выполняет функции фильтрующего элемента, если его сопротивление Z()R для колебаний, входящих в группу разностных комбинационных гармоник тока (2) и Z()0 для всех других составляющих тока (рис.3.3б). При этих условиях напряжение на контуре создается только одной составляющей тока стока. Поэтому  (3.5)где  (3.6)– амплитуда выходного (преобразованного) напряжения. Сравнение формул (3.2) и (3.5) показывает, что в преобразованном радиосигнале законы амплитудной, частотной и фазовой модуляции такие же, что и во входном радиосигнале. Иначе говоря, при преобразовании частоты не происходит искажений заключенной в радиосигнале информации. Условиями неискаженного преобразования частоты являются, во-первых, квадратичный закон характеристики нелинейного элемента, и, во-вторых, равномерность фильтрующей функции Z() в полосе частот выходного сигнала. Характеристикой преобразователя частоты принято считать зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного, то есть U2(А). Если характеристика транзистора ic(uз) описывается полиномом второй степени, то функция U2(А) является линейной, что соответствует неискаженному преобразованию. В этом случае амплитуда преобразованного сигнала не зависит от напряжения смещения Eсм. На практике, однако, эта зависимость наблюдается, так как квадратичный участок характеристики имеет малую протяженность и при больших значениях Есм напряжение на затворе выходит за его пределы. В преобразователях частоты, использующих для транспонирования спектра разностные комбинационные частоты, наблюдается явление «зеркального канала». Это явление заключается в том, что на одну и ту же частоту 2 могут быть перенесены спектры двух радиосигналов, один из которых имеет несущую частоту 1 =г+2, а другой — 3 =г-2 (рис.3.5). И первый, и второй радиосигналы образуют с напряжением гетеродина комбинационные гармоники с одинаковыми частотами (1-г=2 и г‑3=2), попадающими в полосу пропускания фильтрующего контура. Напряжение на контуре оказывается равным сумме двух сигналов и поскольку их спектры перекрываются, то разделение сигналов оказывается невозможным. Существование зеркального канала ухудшает избирательность радиосистем. Поэтому сигналы, попадающие в зеркальный канал, необходимо подавлять до преобразования частоты.
2. Описание лабораторной установки Лабораторная установка предназначена для экспериментальных исследований радиотехнических преобразований сигналов, выполняемых с помощью нелинейных цепей. В состав установки входят исследуемые устройства – преобразователь частоты, амплитудный модулятор и амплитудный детектор; встроенный генератор гармонических колебаний, выполняющий функции гетеродина; и комплект измерительных приборов (рис.3.6). На переднюю панель установки выведены входные и выходные клеммы преобразователя частоты, клемма источника смещения (К4) и ручка регулировки его напряжения. Выходная клемма (К3), тумблер питания (В1) встроенного генератора (гетеродина), а также ручка регулировки амплитуды его напряжения расположены на передней панели блока управления. Преобразователь частоты собран на транзисторе КП303Г по схеме, представленной на рис.3.4. Динамическая характеристика транзистора iс(uз) приложена к лабораторной установке. В качестве источника сигналов для преобразователя частоты используется внешний генератор Г4-102 (Г4-106), а в качестве гетеродина – встроенный генератор. Гетеродин может подключаться к преобразователю частоты (или отключаться от него) переключателем В1.
В комплект измерительных приборов входят генератор гармонических колебаний Г4-102 (Г4-106), цифровой частотомер GFG-8219, электронный осциллограф GOS-620, мультиметр АРРА-201 для измерения постоянного напряжения смещения и два вольтметра В3-38 для измерения действующих значений переменных напряжений на входе и выходе преобразователя. 3. Порядок выполнения лабораторной работы Перед началом измерений необходимо: - Ознакомиться с методическими указаниями по подготовке к работе и с описанием лабораторной установки. - Переписать таблицу с данными передаточной (стокозатворной) характеристики транзистора. - Собрать схему измерений. Для этого подключить к разъёму К1 выход «µV» генератора Г4-102 (Г4-106), к разъёму КЗ - милливольтметр ВЗ-38, к разъёму К4 – мультиметр АРРА-201. Разъём К5 должен быть подключен к входу осциллографа GOS-620. Вход частотомера GFG-8219 (разъём на задней панели) подключается к выходу «1V» генератора Г4-102 (Г4-106). - На блоке управления макета установить переключатель «ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА» в положение «2.3». Проверить, что тумблер включения внутреннего генератора В1 на макете выключен! Включить питание лабораторной установки и всех измерительных приборов, входящих в схему измерений (выключатель сети мультиметра АРРА-201 расположен на задней панели). Задание 1. Измерение параметров контура в схеме преобразователя частоты 1.1 Установить линейный режим работы транзистора. Для этого на лабораторной установке задать напряжение смещения Есм=-0,7 В. Для измерения напряжения смещения использовать мультиметр АРРА-201 в режиме измерения постоянного напряжения «V=». Рекомендуется нажатиями на кнопку RANGE добиться индикации двух разрядов измеряемого напряжения. Установить амплитуду входного напряжения Uвх, вырабатываемого генератором Г4-102 (Г4-106), равной 50 мВ. Уровень входного напряжения измеряется милливольтметром В3-38. Внимание! Милливольтметр ВЗ-38 измеряет эффективное (действующее) значение переменного напряжения, которое для синусоидального колебания равно  от амплитудного значения.Записать установленные значения напряжений Есм и Uвх. 1.2 Изменяя частоту генератора Г4-102 (Г4-106) в диапазоне 420‑520 кГц с шагом 10 кГц (отсчеты частоты снимать по частотомеру) и поддерживая постоянной амплитуду его напряжения Uвх, измерить зависимость амплитуды напряжения на выходе от частоты Uвых(f). Результаты измерений оформить в виде таблицы 3.1. Найти и записать в протокол значение частоты резонанса fp, соответствующее максимальной амплитуде выходного напряжения. Таблица 3.1 Uвх= мВ, fp= кГц
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
