Мет.Нелин.цепи(испр). Методические указания по подготовке, выполнению и защите лабораторных работ по разделу Нелинейные радиотехнические цепи
 Скачать 1.02 Mb.
|
|
Задание 2. Измерение частоты гетеродина 2.1. Выключить внешний генератор Г4-102 (Г4-106). 2.2. Включить внутренний генератор – гетеродин (тумблер В1– «Вкл.»). С помощью потенциометра «АМПЛ.» установить амплитуду его напряжения 0,3 В. Измерение напряжения производить с помощью милливольтметра В3-38. 2.3. Подключить частотомер к разъёму КЗ. При помощи частотомера измерить частоту гетеродина fг. Результат измерения записать в протокол. Задание 3. Исследование основного и зеркального каналов преобразователя частоты 3.1. Установить напряжение смещения равным минус 2,4 В. 3.2. Включить внешний генератор Г4-102 (Г4-106). Амплитуда сигнала внешнего генератора, как и в задании 1.2, должна быть равна 50 мВ, а амплитуда напряжения гетеродина – 0,3 В. Изменяя в небольших пределах частоту внешнего генератора вблизи 1,5 МГц, добиться максимального значения амплитуды выходного сигнала разностной частоты на экране осциллографа. Записать частоту входного сигнала fвх1. Измерив и записав в протокол период выходного сигнала Твых, определить его частоту fвых1. Определить амплитуду выходного сигнала Uвых1. Результаты измерений внести в таблицу 3.2 (в строку «Измерения»). Таблица 3.2 Есм= –…В, fг=…кГц, Uвх=…мВ, Uг=…мВ, Твых1= , Твых2=
3.3. Установить частоту внешнего генератора 2,5 МГц. Изменяя в небольших пределах частоту внешнего генератора, добиться максимальной амплитуды выходного сигнала преобразователя частоты. Действуя аналогично п. 3.2, определить и записать в таблицу 3.2 значения fвх2 , fвых2 , Uвых2 . Сравнить частоту выходного сигнала fвых в обоих случаях с разностной комбинационной частотой тока в транзисторе |fг-fвх| и с резонансной частотой контура fp. При правильной настройке преобразователя частоты их значения совпадают. При осуществлении преобразования частоты в случае fвых<fг следует учитывать наличие двух частот входного сигнала, дающих одинаковое значение частоты выходного сигнала – основного (желаемого) и зеркального (мешающего) каналов преобразования. Задание 4. Измерение передаточной характеристики преобразователя частоты 4.1. Убедиться, что напряжение смещения Есм равно минус 2,4 В, амплитуда напряжения гетеродина Uг равна 0,3 В, а частота входного сигнала fвх имеет одно из двух возможных значений, обеспечивающих максимальную амплитуду выходного напряжения (основной или зеркальный канал). Записать установленные значения параметров в протокол измерений. 4.2. Изменяя амплитуду входного сигнала Uвх в диапазоне от 0 до 400 мВ с шагом 50 мВ, определить зависимость амплитуды выходного сигнала Uвых от амплитуды входного (передаточная характеристика преобразователя). Измерение уровня входного сигнала производить с помощью милливольтметра В3-38 при выключенном гетеродине (В1–«Выкл.») – см. примечание к п.1.1. Амплитуду выходного сигнала определять по осциллографу. Результаты измерений оформить в виде в таблицы 3.3. Таблица 3.3
Задание 5. Измерение зависимости амплитуды выходного сигнала от напряжения смещения 5.1. Установить амплитуду входного сигнала Uвх равной 50 мВ и амплитуду напряжения гетеродина Uг равной 0,3 В. Записать установленные значения параметров в протокол измерений. 5.2. Изменяя напряжение смещения Есм в диапазоне от минус 3,0 В до минус 1,2 В с шагом 0,2 В, определить зависимость амплитуды выходного напряжения Uвых от напряжения смещения Есм. Результаты измерений оформить в виде в таблицы 3.4. Построить график зависимости Uвых(Есм). Таблица 3.4
Задание 6. Расчетное 6.1. По данным измерений определить диапазон изменения напряжения на затворе транзистора (рабочий участок характеристики). Аппроксимировать рабочий участок характеристики транзистора полиномом второй степени. Найти коэффициенты полинома. 6.2. Используя исходные данные задания 3, вычислить амплитуды и частоты комбинационных гармоник тока стока, амплитуду и частоту выходного напряжения. Результаты вычислений занести в таблицу 3.2. 6.3. Используя исходные данные задания 4, рассчитать характеристику преобразователя частоты. Построить график. Сравнить расчетную и измеренную характеристики. Сделать вывод о возможности преобразования частоты радиосигнала без искажения его огибающей. 4. Содержание отчёта Отчёт по лабораторной работе должен быть оформлен в соответствии с общими требованиями, изложенными в инструкции по составлению отчёта (см. Приложение 1). Основная часть отчёта обязательно должна содержать все экспериментальные и теоретические результаты, полученные при выполнении заданий 1-5, а также результаты расчетного задания 6. 5. Контрольные вопросы Сколько и какие сигналы подаются на вход преобразователя частоты? Как изменяется несущая частота радиосигнала и законы модуляции при преобразовании частоты? Что является характеристикой преобразователя частоты? Объясните принцип действия преобразователя частоты. В чем сходство и различие преобразования частоты «вверх» и «вниз»? В чем заключается явление зеркального канала? Предложите способы его устранения. Сформулируйте требования к основным элементам обобщенной схемы преобразователя частоты. Поясните назначение элементов принципиальной схемы преобразователя частоты. Как связаны резонансная частота колебательного контура в схеме преобразователя частоты и несущая частота радиосигнала на его выходе? Какие методы гармонического анализа тока в нелинейном элементе применялись в расчетной части данной лабораторной работы? Библиографический список Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. пособие для вузов. -М.: Дрофа, 2006, с. 356-360. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. Стандарт третьего поколения / Под ред. В. Н. Ушакова – СПб.: Питер. 2014, с. 248-251. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы.-М.: Высш. школа, 2000, с. 308-310. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи: учебник для вузов: -М.: Высш. шк., 2002, с. 307-310. Лабораторная работа №2.4 ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОГО МОДУЛЯТОРА Цель работы. Исследование особенностей преобразования сигналов в радиотехнических цепях, содержащих нелинейные резисторы и линейные частотно-избирательные элементы. Изучение принципа действия и особенностей работы амплитудных модуляторов, экспериментальные исследования их характеристик. Овладение методами расчета нелинейных радиотехнических цепей. 1. Методические указания Амплитудной модуляцией называется процесс изменения амплитуды высокочастотного колебания по закону управляющего сигнала. Преобразования сигналов и их спектров при амплитудной модуляции иллюстрируются временными и спектральными диаграммами, приведенными на рис.4.1. Высокочастотное гармоническое колебание u0(t)=U0cos0t, которое подвергается процессу модуляции, называется несущим колебанием. Его спектр состоит из одной гармоники с относительно большой частотой (0). Управляющий сигнал содержит передаваемую информацию в форме изменения своего мгновенного значения s(t). Составляющие спектра управляющих сигналов обычно низкочастотные. В результате амплитудной модуляции информация из изменения мгновенного значения управляющего сигнала переходит в изменение амплитудного значения радиосигнала, т.е., из области низких частот – в область частот высоких. Именно это обстоятельство дает возможность осуществлять передачу информации с помощью радиоволн, распространяющихся в свободном пространстве.
Спектр АМ радиосигнала содержит несущее колебание и расположенные рядом с ним две группы комбинационных гармоник с частотами типа 0, составляющих верхнюю и нижнюю боковые полосы. По своей структуре боковые полосы являются зеркальными копиями спектра управляющего сигнала, перенесенными в область высоких частот. Огибающая АМ радиосигнала совпадает по форме с управляющим сигналом, если сумма амплитуд всех гармоник в боковых полосах спектра не превышает амплитуду несущего колебания. П  ринцип осуществления амплитудной модуляции можно пояснить на примере обобщенного нелинейного преобразователя, в схеме которого (рис. 4.2) 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 несущего колебания u0(t) и управляющего сигнала s(t).
В качестве примера взят управляющий сигнал, в спектре которого содержится две гармоники (рис. 4.1,в,г) Спектр входного напряжения, состоящий из гармоники с частотой 0 (несущее колебание) и гармоник управляющего сигнала, условно показан на рис.4.3,а. (В целях наглядности на диаграммах рис.4.3 нарушено реальное соотношение между частотами управляющего сигнала и частотой несущего колебания. В радиотехнической практике отношение 0/ находится в диапазоне 102-106). Спектр тока i(t) содержит как гармоники с частотами входного напряжения, так и приобретенные в результате нелинейности гармоники с кратными и комбинационными частотами (рис.4.3,б). Для амплитудной модуляции полезными являются несущее колебание и две группы комбинационных гармоник, частоты которых равны разности и сумме частоты несущего колебания и частот спектра управляющего сигнала. Полезные составляющие в спектре тока сосредоточены вблизи частоты несущего колебания. 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, и малым за пределами этого диапазона. Поэтому в спектре напряжения на выходе обобщенного преобразователя содержатся только гармоники с частотами, близкими к частоте несущего колебания (рис.4.3,в), что и требуется при амплитудной модуляции.
Таким образом, схема модулятора должна содержать нелинейный элемент и частотно-избирательную нагрузку. Нелинейный элемент создает в спектре тока комбинационные гармоники с частотами типа 0, отсутствующие во входном сигнале, но необходимые для формирования выходного сигнала. Частотно-избирательная нагрузка выбирает из спектра тока гармоники, составляющие АМ радиосигнал, и подавляет все другие гармоники. В качестве нелинейного элемента обычно применяют полупроводниковые диоды или транзисторы с квадратичными характеристиками. При квадратичной характеристике нелинейного элемента в спектре тока имеются комбинационные гармоники только второго порядка (с частотами типа 0) и отсутствуют гармоники высших порядков (с частотами 02, 03 и т.д.). Комбинационные гармоники высших порядков не нужны для формирования АМ радиосигнала, однако, они не могут быть отфильтрованы, так как расположены в полезной части спектра вблизи частоты 0. Присутствие комбинационных гармоник высших порядков в спектре радиосигнала означает искажение передаваемой информации. В качестве частотно-зависимого сопротивления обычно применяется параллельный колебательный контур, настроенный на частоту несущего колебания. 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.4.3,б). В данной лабораторной работе исследуется амплитудный модулятор на полевом транзисторе. Принципиальная схема модулятора приведена на рис.4.4. Основными элементами схемы являются соединенные последовательно транзистор, параллельный колебательный контур и батарея питания цепи стока Ес. Резисторы R1, R2, конденсаторы С1,C2 и дроссель Lдр составляют входную цепь, а конденсатор С3 и резистор R3 – выходную цепь. Назначением входной цепи является суммирование на затворе транзистора напряжения смещения Есм с управляющим сигналом s(t) и с несущим колебанием u0(t). Напряжение смещения с помощью потенциометра R1 устанавливается таким, чтобы обеспечить изменение uз(t) в пределах квадратичного участка характеристики ic(uз). Емкости конденсаторов С2 и С1<  (4.1)Амплитудная модуляция происходит в цепи стока транзистора, которая в соответствии со схемой обобщенного нелинейного преобразователя (рис.4.2) содержит нелинейный элемент (промежуток исток-сток транзистора) и колебательный контур.
Участок характеристики транзистора ic(uз) вблизи напряжения запирания описывается полиномом второй степени  (4.2)Частотный состав тока ic(t) можно найти посредством подстановки мгновенного значения напряжения на затворе (4.1) в степенной полином (4.2), преобразования полученного соотношения с помощью тригонометрических формул кратных углов и приведения подобных членов. Выполнив указанные действия, можно определить ток стока в виде следующей суммы:  (4.3)где  (4.4)Для амплитудной модуляции используется второе слагаемое суммы (4.3), амплитуда I1(t) которого, как следует из формулы (4.4), линейно связана с управляющим сигналом s(t). Составляющие частотного спектра этого слагаемого группируются вблизи частоты несущего колебания (рис.4.3,б), создают падение напряжения на контуре модулятора и формируют выходное напряжение. Частотные спектры первого и третьего слагаемых суммы (4.3) сосредоточены за пределами полосы пропускания контура и не участвуют в формировании выходного напряжения. Контур в цепи стока выполняет функции фильтрующего элемента, если его резонансная частота совпадает с частотой несущего колебания, а ширина полосы пропускания удовлетворяет условию: <<<<0 (рис.4.3,б). Тогда можно считать, что сопротивление контура велико и почти постоянно для частот, близких к частоте несущего колебания (Z()R при 0), и весьма мало для всех других частот. При этих условиях мгновенное значение напряжения на контуре определяется соотношением: uК(t)=I1(t)Rcos0t. В схеме модулятора, показанной на рис.4.4, напряжение между электродами исток-сток транзистора равно uc(t)=Ec-uК (t), т.е., содержит постоянную и переменную составляющие. Выходная цепь (C3, R3) постоянную составляющую подавляет, поэтому напряжение на выходе схемы uвых(t)=-uК(t). Амплитуда напряжения на выходе модулятора  (4.5)так же как и амплитуда тока I1(t), изменяется в зависимости от управляющего сигнала s(t). Характеристикой амплитудного модулятора принято считать зависимость амплитуды выходного напряжения от мгновенного значения управляющего сигнала, т.е., функцию Uвых(s). Зависимость Uвых(Eсм) при s(t)=0 имеет такой же вид, как Uвых(s) и называется статической модуляционной характеристикой. Неискаженной модуляции соответствует линейная модуляционная характеристика. Условиями неискаженной амплитудной модуляции являются, во-первых, квадратичный закон характеристики нелинейного элемента, и, во-вторых, постоянство фильтрующей функции Z() в полосе частот выходного сигнала. Процесс образования амплитудно-модулированного радиосигнала показан на рис.4.5, где приведены квадратичный участок характеристики транзистора ic(uз), временная диаграмма напряжения на затворе транзистора uз(t) (см. формулу (4.1) и схему на рис.4.4), временная диаграмма тока стока ic(t), соответствующая формуле (4.2), и временная диаграмма выходного напряжения uвых(t). Показано, что вследствие нелинейности характеристики транзистора амплитуда высокочастотной составляющей тока стока изменяется несмотря на постоянство амплитуды высокочастотной составляющей напряжения на затворе. При линейной характеристике транзистора графики uз(t) и ic(t) аналогичны друг другу, амплитуда тока стока не изменяется и модуляция отсутствует.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
в) 
д) 
