В. А. Нахалов Моделирование радиоэлектронных схем
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
3. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ Детектирование представляет собой процесс обратный модуляции. При модуляции один из параметров высокочастотного переносчика изменяется пропорционально управляющему, обычно низкочастотному колебанию. Детектирование заключается в восстановлении того управляющего сигнала, которым производилась модуляция. Детектирование считается неискаженным, если напряжение на выходе детектора повторяет закон изменения параметра модулированного колебания (амплитуды в случае АМ, частоты в случае ЧМ, фазы в случае ФМ). Поскольку в спектре модулированного колебания содержатся только высокочастотные компоненты (несущие и боковые частоты), а результатом детектирования является получение низкочастотных колебаний, процесс детектирования может осуществляться только в нелинейных или параметрических цепях. Как видим, процесс детектирования (демодуляции) связан с переносом спектра по сетке частот, и может осуществляться с использованием перемножителей. Бедность спектра на выходе перемножителя существенно снижает искажения и упрощает ФНЧ (по сравнению с диодными схемами). Детектирование будет неискаженным если напряжение детектора зависит линейно от U, ω, φ в соответствующей схеме детектирования АМ, ЧМ, ФМ. 3.1. Детектирование АМ-колебаний в параметрических цепях (синхронное детектирование) Если к одному из входов перемножителя с коэффициентом перемножения k подвести высокочастотное напряжение U(t) = kU1cos ωt – напряжение несущей, а на другой вход подать АМ сигнал  ,то на выходе перемножителя после тригонометрических преобразований получим  Спектральная составляющая Ω и есть продукт детектирования, ее величина Uвых(Ω)=  kU1U2, т.е. характеристика детектирования линейная. Схема такого параметрического детектора называется синхронным детектором, так как в нем напряжение U(t) = kU1cos ωt изменяется синхронно несущей АМ-сигнала. Действительно, если U(t) = kU1cos (ωt + φ), тогда Uвых(Ω) = kU1U2cos Ωt cosφ, оказывается зависящей от сдвига фаз φ. При φ = 0 достигается наибольшая амплитуда напряжения на выходе детектора. Если φ = ±90, то Uвых = 0. Схема синхронного детектора приведена на рис. 9.Параметры фильтра низких частот (ФНЧ) выбираются из соотношения  << R << . Приведенная схема может использоваться для детектирования АМ сигнала без несущей и однополосного сигнала ОБП. Во всех случаях наличие генератора  обязательно. Однако вместо гармонического колебания можно использовать прямоугольные импульсы, по частоте и фазе совпадающие с несущей АМ-сигнала. В процессе перемножения АМ-сигнала с прямоугольной последовательностью происходит как бы двухполупериодное выпрямление АМ-сигнала, и огибающая состоит из амплитуд положительных полупериодов косинусоиды с частотой 2 .В этом легко убедиться при моделировании. Прямоугольные импульсы можно получить из АМ-сигнала, подавая его на вход усилителя – ограничителя. 3.2. Исследования синхронного детектора 1. Собрать схему, показанную на рис. 9.  Рис. 9. Схема синхронного детектора Установить следующие параметры схемы: частота несущей 1 кГц, частота модуляции 100 Гц, коэффициент модуляции 1, напряжение несущей – 1 В, коэффициент усиления усилителя-ограничителя – 20 амплитуд выходного напряжения 1,4 В, для перемножителя установить   .2. Подключить генератор 1v1 кГц (клавиша Space). Снять модуляционную характеристику  , коэффициент модуляции  изменять от 0,1 до 1.Снять зависимость выходного напряжения от начальной фазы генератора 1v1 кГц. Угол  изменять от 0 до 90, шаг изменений 10.3. Подключить усилитель-ограничитель. Осциллограф подключить ко входам Х и У перемножителя. Зарисовать осциллограмму. Снять моду-ляционную характеристику (см. пункт 2). 4. Использую меню Analisis\Fouria получить спектр выходного сигнала. 5. Исследовать схему для детектирования биений. Такое детектирование происходит при приеме АМ-сигнала без несущей, или в режиме ОБП-сигнала. Для выполнения исследования необходимо поочередно собрать схему АМ-модуляции и ОБП-модулятора, подключить на выход синхронный детектор и выполнить пункты 2 и 4. 3.3. Детектирование ФМ-колебаний Детектор ФМ-колебаний представляет собой устройство, напряжение на выходе которого зависит от разности фаз двух колебаний одной и той же частоты, причем одно из этих колебаний считается эталонным (опорным). Следовательно, для линейной характеристики детектированного выходного напряжения  .Нетрудно убедиться в том, что этот процесс можно осуществить с помощью перемножителя. Действительно, если эталонное колебание имеет вид  , а принимаемый сигнал  , то на выходе перемножителя получим  .Как видим, кроме высокочастотной составляющей на выходе содержится компонента пропорциональная  . Если индекс ФМ невелик ( 30),  , то на выходе ФНЧ получим напряжения, пропорциональное  . Схема ФМ детектора приведена на рис. 10. Рис. 10. Схема детектора ФМ-колебаний 3.4. Исследование детектора ФМ-колебаний 1. Собрать схему, приведенную на рис. 10. Установить следующие параметры: генератор  – 1v1 кГц 90, генератор  – 1v1 кГц 0, для перемножителя  ,  3 кОм, С = 1mF , вольтметр в режиме ДС. 2. Изменять начальную фазу генератора от 270 до 0 и от 0 до 90 (интервал 10) фиксировать напряжение на выходе (с учетом знака). Построить характеристику  , сделать выводы.3. В эталонном генераторе установить  . Повторить пункт 2.4*. Собрать схему модулятора ФМ. Выход модулятора подключить к фазовому детектору. Установить параметры, указанные на схеме (см. рис. 9). Исследовать комплекс модулятор-детектор (модем). Объем исследований определить самостоятельно. 3.5. Детектирование ЧМ-колебаний Для детектирования ЧМ-колебаний необходимы устройства, напряжение на выходе которых зависит от частоты выходного гармонического колебания. В большинстве случаев детектирование ЧМ-сигнала осуществляется путем его преобразования в АМ или ФМ сигнал с последующим детектированием соответственно амплитудным или фазовым детектором. В настоящее время для целей детектирования ЧМ-сигнала получила широкое распространение система фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), в которой происходит непосредственное преобразование отклонение частоты ВЧ-сигнала в сигнал сообщения, что соответствует главному назначению детектора ЧМ-колебаний. Преобразование ЧМ в АМ требует применения связанных колебательных контуров, поэтому такой способ на практике имеет ограниченное применение. Использование стандартных микросхем фазовых детекторов и ФАПЧ – основные схемы детектирования ЧМ-колебаний. Рассмотрим метод ЧМ-детектирования, использующий фазовый детектор. Принцип иллюстрируется на рис. 10.  Рис. 11. Функциональная схема ЧМ-детектора В этой схеме входной сигнал и тот же сигнал, но сдвинутый по фазе подается на фазовый детектор, на выходе которого появляется некоторое напряжение. Фазосдвигающая схема линейно изменяет фазовый сдвиг в зависимости от частоты входного сигнала. (Роль фазосдвигателя выполняет LC-контур). Таим образом, напряжение на выходе линейно зависит от частоты на входе. Для выяснения возможности использования схемы ФАПЧ для детектирования ЧМ-сигналов, необходимо рассмотреть классическую схему ФАПЧ, структурная схема которой приведена на рис. 12.  Рис. 12. Схема фазовой автоподстройки частоты Фазовый детектор сравнивает частоты двух входных сигналов и генерирует выходной сигнал, который является мерой их фазового рассогласования. Если частоты fвх и fгун не равны друг другу, то сигнал фазового рассогласования после фильтрации и усиления будет воздействовать на генератор управляемый напряжением (ГУН), приближая частоту fгун к fвх. Таким образом, напряжение, подаваемое на ГУН, линейно зависит от входной частоты и поэтому является требуемым демодулированным сигналом. 3.6. Исследование детекторов ЧМ-колебаний Собрать схему, приведенную на рис. 13. Ко входу X подключить FM-генератор с центральной частотой 1 МГц, частота модуляции 10 кГц, индекс модуляции – 5. В перемножителе установить Kx= 4, Ky= 2, Kвых= 10, Ucм= . Элементы фильтра рассчитать самостоятельно. (Fгр = Fмод = 10 кГц).  Рис. 13. Схема детектора 2. Исследовать зависимость выходного напряжения от амплитуды несущей (0,5–2 В), индекс модуляции (0,5–10) и частоты модулирующего сигнала (2–15 кГц). По каждому из исследований построить графики и сделать выводы. 3. Исследовать зависимость выходного напряжения от величины индуктивности, подключенной между входами X и Y, и резистора контура RCL. Объяснить роль этих элементов. 4. Исследовать влияние параметров НЧ-фильтра на амплитуду выходного сигнала. Сделать выводы. 5*. Собрать схему ФАПЧ для детектирования ЧМ-сигнала (рис. 14). Для этого взять из библиотеки FM-генератор, перемножитель, сумматор, генератор управляемый напряжением, усилитель. Объем исследований определить самостоятельно. Рекомендации для выполнения пункта 5*: В фазовом детекторе установить Кх = Ку = Квых = 2. В сумматоре установить Ка = Кв = Кс = Квых = 1. В усилителе установить К = 50. В генераторе, управляющем напряжением установить Uвых = ±1 В, частота в контрольной точке 10000 Гц, контрольное напряжение 0,5 В, контрольная точка № 2. Исследования проводить по соответствующим пунктам изучаемого раздела.  Рис. 14. Схема ФАПЧ для ЧМ-детектора 4. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ (АРУ) АРУ широко используется в радиоаппаратуре для приведения переменного уровня к некоторому постоянному. В качестве примера можно привести устройство, поддерживающее постоянным уровень громкости воспроизведения при переменном уровне сигнала на входе радиоприемного устройства. Из сказанного ясно, что любое увеличение уровня входного сигнала должно приводить к снижению коэффициента усилителя и, наоборот, снижение уровня выходного сигнала должно вызывать возрастание коэффициента усиления. Таким образом в системе АРУ должен быть усилитель, коэффициент усиления которого регулируется некоторым постоянным напряжением, и специфическая отрицательная обратная связь, вырабатывающая регулирующее напряжение. Принцип действия АРУ показан на рис. 15. Выходное напряжение усилителя подводится к детектору на выходе которого находится интегрирующая цепь с постоянной времени намного больше периода входного сигнала. Проинтегрированное напряжение подводится к отдельному входу усилителя и регулирует его коэффициент усиления. В этом и есть специфика обратной связи. Для изменения коэффициента усиления усилителя можно использовать управляемые делители на полевых транзисторах, включенные в цепь обратной связи усилителя, а также перемножающие схемы (параметрические цепи). Один из вариантов такой схемы приведена на рис 16.  Рис. 15. Функциональная схема АРУ  Рис. 16. Схема АРУ на перемножителе Как известно, в данной схеме Uвых = KUx·Uy. Напряжение Uy имеет две составляющие: –UR2 , установленного делителем R1 R2 и UC1. Напряжение на конденсаторе UC1 это результат действия детектора АРУ на диоде Д2. Таким образом Uy = –UR2 + UC1. Поэтому если напряжение на выходе усилителя увеличится, то возрастет UC1, а это приведет к снижению Uy, усиление усилителя снизится, и напряжение на выходе усилителя вернется в исходное состояние, т е останется постоянным. 4.1. Исследование схем АРУ 1. Собрать схему изображенную на рис. 17. Установить указанные номиналы элементов и параметры перемножителя. 2. Снять зависимость Uвых = f(Uвх). Для этого необходимо изменять (клавиши Shift и R) напряжение Uвх (10 mB; 50 mB; 100 mB; 200 mB и т. д. до величины 1,4 В), фиксируя при этом Uвых и Uy. Составить таблицу. 3. Используя значение коэффициентов усиления перемножителя рассчитать значения Uвых и сравнить с измеренными значениями. Сделать выводы.  Рис. 17. Модель схемы АРУ 5. RC-ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Схема RC-генератора приведена на рис.18. Как видим, основа схемы – неинвертирующий ОУ, с коэффициентом передачи  . Цепь положительной обратной связи составлена из резисторов и конденсаторов (мост Вина). Используя законы Ома и Кирхгофа, найдем коэффициент передачи цепи положительной обратной связи. .Величина  достигает наибольшего значения  , когда мнимая часть знаменателя обращается в ноль, т.е. на частоте квазирезонанса  .Равенство мнимой части нулю соответствует выполнению условия баланса фаз, который осуществляется только на одной частоте  .Для возникновения колебаний на этой частоте необходимо выполнить условие баланса амплитуд:  > 1. Так как на частоте  коэффициент  , то коэффициент усиления неинвертирующего усилителя должен быть больше 3. Такой коэффициент устанавливается резисторами  и  .И  Рис. 18. Схема RC-генератора так, для возникновения колебаний необходимо, чтобы коэффициент усиления  был больше 3, а для получения синусоидальных колебаний с минимальными искажениями нужно, чтобы  .Для разрешения этого противоречия в цепь обратной связи неинвертирующего усилителя включают нелинейный элемент, роль которого в частности, могут выполнять два диода, включенных встречнопараллельно. Если амплитуда выходного напряжения будет возрастать, то сопротивление диода уменьшаться, что и приведет к снижению коэффициента усиления и, следовательно, к стабилизации амплитуды выходного напряжения. Искажения при этом будут минимальными. 5.1. Исследование rc-генератора 1. Собрать схему RC-генератора рис. 19.  Рис. 19. схему RC-генератора 2. Запустить схему клавишами R и Shift установить потенциометр в положение, когда возникнут устойчивые искажения колебаний (стационарный режим). Пользуясь курсорами осциллографа, определить основные показатели генератора: частоту, амплитуду, напряжение об-ратной связи на выходе. Рассчитать частоту, коэффициент усиления, сравнить с измеренными данными. 3. Увеличить (или уменьшить) сопротивления (или емкости) в цепи ПОС в два раза. Определить новую частоту. Измерения сравнить с расчетами. Исследовать условия самовозбуждения автогенератора. Клавишами R и Shift перетянуть движок потенциометра. Отметить срыв колебаний ( <3) и появление больших искажений ( >3).Установить потенциометр в положение, когда искажения будут минимальными. Используя меню Analysis\Fouier получить спектр исследуемого сигнала. |