Учебная лабораторная установка по курсу теория электрической связи Краткое описание лабораторного стенда
 Скачать 0.7 Mb.
|
|
Применяемая аппаратура В работе используется универсальный стенд со сменным блоком НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ. Принципиальная схема исследуемой цепи приведена в лабораторной работе 3. С помощью переключателя "RVLC" выбирается колебательный контур, а для снижения его добротности сопротивление RШ должно быть включено. В качестве источника несущего колебания используется встроенный генератор звуковой частоты, подключаемый к входу 1. Источник низкочастотного модулирующего колебания с частотой 1кГц должен быть подключен к входу 2 сумматора. В качестве измерительных приборов используются вольтметр, осциллограф и ПК в режиме анализатора спектра. Наблюдение процессов на затворе и стоке полевого транзистора осуществляется на гнездах 4 и 5 соответственно. Лабораторное задание 1. Получите статическую модуляционную характеристику устройства. 2. Определите величины напряжений, необходимых для получения колебаний с наибольшей глубиной модуляции без заметных искажений. 3. Исследуйте форму и спектр колебаний в оптимальном режиме, а также при различных отклонениях от этого режима. Порядок выполнения работы 5.1 Настройка в резонанс предшествует всей работе. Она осуществляется при подаче на один из входов сумматора напряжения около 0,5В от встроенного звукового генератора (12...16кГц). Достижение резонанса фиксируется либо по максимальному отклонению стрелки микроамперметра стенда (встроенный индикатор резонанса) либо по максимуму выходного напряжения на гнездах 5. Точное значение резонансной частоты f0 вносится в таблицу 5.1. Таблица 5.1 - Статическая модуляционная характеристика
5.2 Статическая модуляционная характеристика снимается на резонансной частоте контура при U=0 и двух значениях высокочастотного напряжения: U=0,5В; U=1,0В. Данные эксперимента в обоих случаях вносятся в две таблицы, аналогичные приведенной выше. Первая гармоника тока стока рассчитывается по формуле: IС1= UВЫХ / RЭО, где RЭО=1кОм - сопротивление контура на резонансной частоте. По таблицам на одном графике строятся обе зависимости IС1=1(ЕСМ) при U=0,5В и IС1=2(ЕСМ) при U=1,0В. 5.3 Оптимальный режим модулятора находится в два этапа. На первом этапе выбирается статическая модуляционная характеристике с наиболее протяженным линейным участком, на втором – определяется положение рабочей точки на этой характеристики. По этой же характеристике определяется максимальная амплитуда низкочастотного модулирующего напряжения UmМАХ так, чтобы модуляция осуществлялась без заметных искажений. Соединить гнездо "1кГц" блока ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ с входом сумматора и ручкой регулятора выхода установить найденное значение UmМАХ, помня, что вольтметры переменного напряжения показывают действующее значение UМАХ= UmМАХ /2. Установить смещение ЕСМОПТ, соответствующее середине линейного участка кривой IC=(ЕСМ). Установить на входе 1 сумматора выбранное значение U (0,5В или 1В). Найденные величины заносятся в таблицу 5.2. Таблица 5.2 - Оптимальный режим модулятора
ВНИМАНИЕ! В данном (оптимальном) режиме модулятор будет использован снова в следующей лабораторной работе как источник амплитудно-модулированных сигналов. Поэтому необходимо четко зафиксировать условия эксперимента и схему соединений. 5.4 Временные диаграммы и спектры на входах и выходе модулятора снимаются для оптимального режима в следующем порядке (масштаб по оси времени сохраняется неизменным): - входной сигнал низкой частоты (гнездо 2); - входной сигнал несущей частоты (гнездо 1); - суммарный входной сигнал (гнездо 4); - выходное напряжение (гнездо 5); - форма тока стока iС(t)(гнездо 5, кнопка "R" нажата); - выходное напряжение при высокой добротности контура (гнездо 5 при нажатой кнопке "LC" и отжатой " RШ "). Одновременно с осциллограммами зарисовываются спектры всех перечисленных сигналов с сохранением масштаба по оси частоты. По полученным осциллограммам определяется и фиксируется в таблице глубина модуляции m. Таблица 5.3 – Значения глубины модуляции
5.5 Диаграммы искаженных колебаний на выходе наблюдаются и зарисовываются при правильно выбранной нагрузке: включено "LC" и " RШ ", но при напряжениях, отличных от найденных в пункте 6.3. ЕСМ = ЕСМ ОПТ +1В ЕСМ = ЕСМ ОПТ -1В ЕСМ = ЕСМ ОПТ, но U 2 UМАХ. 5.6 Модуляция сложным сигналом производится при действии двух низкочастотных сигналов (1кГц и 2кГц), подаваемых из блока "ИСТОЧНИКИ" на входы 2 и 3 сумматора макета. Для сохранения оптимального режима модулятора каждый из подаваемых сигналов должен соответствовать половине UМАХ. Зарисовать осциллограммы и спектры на входе модулятора (гнездо 4), для чего следует отключить источник "несущей" от входа 1, а также на выходе (гнездо 5 при восстановлении сигнала на входе 1). Содержание отчета 1. Принципиальная схема исследования. 2. Сток-затворная характеристика полевого транзистора для соответствующего варианта работы. 3. Таблицы экспериментальных данных. 4. График 1(ЕСМ) и 2(ЕСМ), а также осциллограммы и спектры исследованных процессов. Контрольные вопросы: 1. Что такое амплитудная модуляция? Запишите аналитическое выражение АМ сигнала. 2. Какая форма ВАХ нелинейного элемента является наилучшей для получения АМ сигналов? 3. Что такое глубина модуляции? 4. Как измерить глубину модуляции по временной диаграмме АМ сигнала или по спектру? 5. Как связаны между собой ширина спектра модулирующего и ширина спектра модулированного сигнала при АМ? 6. Как распределяется мощность между составляющими АМ сигнала? 7. Изобразите простейшую схему амплитудного модулятора. 8. Какова роль нагрузки амплитудного модулятора? 9. Что такое статическая модуляционная характеристика? Как по статической модуляционной характеристике выбрать режим работы модулятора? 10. Как по статической модуляционной характеристике определить максимальную девиацию амплитуды? Максимальную глубину модуляции? 11. Изобразите спектр сложного АМ сигнала, в котором модулирующий сигнал состоит из первых трех гармоник частоты F=1кГц. 12. Изобразите векторные диаграммы для сигналов обычной АМ, балансной АМ, однополосной АМ. 13. Дайте определение балансной модуляции. Изобразите временную и спектральную диаграммы сигнала балансной модуляции одним гармоническим колебанием. 14. Изобразите простейшую схему балансного модулятора. 15. Дайте определение однополосной модуляции. Изобразите временную и спектральную диаграммы сигнала однополосной модуляции при модуляции одним гармоническим колебанием. 16. Изобразите схему для получения однополосной модуляции. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМ КОЛЕБАНИЙ Цель работы: исследование работы и характеристик диодного детектора. Краткие сведения из теории Рассмотрим принцип детектирования АМ сигналов в нелинейной цепи. Пусть нелинейный элемент обладает квадратичной ВАХ. Такая аппроксимация годится для любого нелинейного элемента при малых амплитудах входных сигналов. Пользуясь выводами, полученными при рассмотрении метода кратных дуг для бигармонического воздействия на нелинейный элемент, оценим спектральный состав тока при воздействии тонального АМ сигнала, спектр напряжения которого состоит из трех гармонических сигналов -  Очевидно, что спектр тока (рисунок 8.1.) будет состоять из первых и вторых гармоник всех трех сигналов, а также комбинационных колебаний второго порядка между парами этих сигналов: ; ; . Рисунок 6.1 Спектральный состав тока и выходного напряжения детектора АМ при нормальных сигналах (Произвести точный расчет такого спектра можно, например, для схемы коллекторного детектора). Из приведенного спектра видно, что полезная составляющая тока детектора с частотой является комбинационной разностной частотой между несущей и одной из боковых:  ; ;Разностная частота между боковыми дает вторую гармонику полезного сигнала,  ; которая является помехой, создающей нелинейные искажения полученного сигнала.Для выделения из всего спектра тока низкочастотных сигналов, в качестве нагрузки нелинейного элемента применяют ФНЧ, а в простейшем случае - параллельное соединение Rн и Cн, сопротивление которых zн() велико на низких частотах и очень мало на частотах вблизи несущей 0. Избавиться от второй гармоники 2 с помощью фильтра невозможно (кроме частных случаев), т.к. спектр модулирующего сигнала достаточно широк и рассматриваемый сигнал с частотой и его гармоники могут оказаться в пределах полосы пропускания ФНЧ. Появление второй гармоники при детектировании связано с работой на квадратичном участке ВАХ и практически всегда существует при малых амплитудах входных сигналов. Для больших сигналов на входе детектора ВАХ нелинейного элемента может быть аппроксимирована кусочно-линейной функцией, причем напряжение отсечки  для диода обычно считают нулевым. при  В практических схемах детекторов с этой целью часто вводят смещение, компенсирующее напряжение отсечки. Пусть на входе действует АМ сигнал  . Напомним, что  является медленно меняющейся функцией времени (по сравнению с быстрым изменением текущей фазы  ). За один период высокочастотного колебания Твч амплитуда (огибающая) АМ сигнала не успевает заметно измениться (при выполнении условия  ). Это позволяет считать форму АМ сигнала за один период Твч - гармонической (точнее - квазигармонической) и при выводе расчетных соотношений пользоваться методом угла отсечки. Напряжение на выходе цепи: вых = состоит из медленно меняющегося слагаемого  (будем считать его постоянным за время Твч) и быстро меняющегося второго сигнала  , которое описывает переходной процесс перезаряда конденсатора Сн. При правильно выбранной емкости Сн  , поэтому величиной для количественных расчетов можно пренебречь, т.е. вых = . Рисунок 6.2 Схема диодного детектора. К диоду детектора (рисунок 6.2) приложена разность напряжений между входом и выходом:  (6.1)При  :  , (6.2) При  :  . (6.3) Вычислим постоянную составляющую тока:  ;Выходное напряжение детектора:  ;Разделим обе части уравнения на  , ; или  ;Из последнего выражения следует, что угол отсечки является сложной функцией отношения сопротивлений  , причем нет никакой зависимости угла отсечки от амплитуды сигнала . Следовательно, при выбранных параметрах схемы детектора  и  угол отсечки  , следовательно, и  . Из выражения (6.2) имеем: (6.4) Из последнего выражения следует, что выходное напряжение детектора с точностью до постоянного коэффициента (cos=const) повторяет огибающую входного сигнала . Следовательно, в рассмотренном случае (больших сигналов) детектирование происходит без искажений. Чтобы ответить на вопрос, где находится граница слабых и сильных сигналов, следует снять (или рассчитать) так называемую характеристику детектирования  при m=0 (рисунок 6.3).Эта характеристика по смыслу обратна статистической модуляционной характеристике амплитудного модулятора: она показывает, как меняется ток  (а, следовательно, и  ) при изменении амплитуды входного сигнала. Напомним, что полезная информация в АМ сигнале заключена в его огибающей.Если последняя приходится на линейный участок характеристики детектирования, то искажения при детектировании отсутствуют. При малых сигналах (участок левее точки А на рисунок 6.3) нет пропорциональности амплитуде входного сигнала, следовательно, выходное напряжение детектора не соответствует огибающей входного сигнала, т.е. при малых сигналах детектирование сопровождается искажениями. Граница линейного участка (точка А) характеристики детектирования соответствует границе слабых и сильных сигналов.  Рисунок 6.3 Характеристика детектирования. Работа АМ детектора в режиме малых (1) и больших (2) сигналов. Рассмотренная характеристика детектирования позволяет определять условия, при которых искажения отсутствуют - выбрать амплитуду несущей на входе детектора и максимально допустимую глубину модуляции  .Краткая характеристика применяемой аппаратуры В работе используется универсальный стенд со сменным блоком НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ. Схема исследуемой цепи приведена на рис. 3.4 Переключатель "СН" дает возможность изменять в широких пределах постоянную времени RC - цепи (нагрузка диода). Изображенный на схеме микроамперметр находится в правой части приборной панели наверху стенда. В качестве источника АМ сигнала с относительно низкой частотой несущего колебания (fН1=13...15кГц) используется модулятор, изученный в предыдущей лабораторной работе и настроенный в соответствии с экспериментальными данными оптимального режима. Выход амплитудного модулятора (гнездо 6) является входом детектора. В качестве источника АМ сигнала с повышенной частотой несущего колебания используется генератор, расположенный на блоке ИСТОЧНИКИ CИГНАЛОВ (fН2=180кГц). При использовании этого генератора он так же присоединяется к входу детектора (гнездо 6), но при этом нагрузкой в модуляторе следует выбрать "R". Кнопка включения резистора "R" одновременно отключает емкость контура (на схеме макета это не показано) для того, чтобы исключить шунтирующее действие расстроенного низкочастотного контура ( 15кГц) на генератор высокочастотного сигнала (180кГц).  Рисунок 7.4 Измерительные приборы подключаются к входу детектора или к выходу (гнездо 7). Используются вольтметр, осциллограф и анализатор спектра (ПК). |