close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

12

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
Часть 1
Учебно-методическое пособие для лабораторных работ
Электронное издание
Красноярск
СФУ
2012
УДК 621.372(07)
ББК 32.841я73
Р154
Рецензент: А.М. Алешечкин, д-р техн. наук, профессор кафедры РТ
ИИФиРЭ СФУ
Составитель: В.Г. Патюков, Е.В. Патюков, А.А. Баскова
Р154 Радиотехнические цепи и сигналы. Часть 1: учебно-методическое пособие для лабораторных работ [Электронный ресурс] / В.Г. Патюков, Е.В.
Патюков, А.А. Баскова. – Электрон. дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т,
2012. – Систем. требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM;
Windows 98/XP/7; Adobe Reader V8.0 и выше. – Загл. с экрана.
В учебно-методическом пособии приводятся описания семи лабораторных работ, позволяющие экспериментально исследовать основные положения теории детерминированных и случайных сигналов и их преобразований в типовых нелинейных
радиотехнических цепях.
Предназначено для студентов всех форм обучения направлений 200100.62
Приборостроение, 210300.62 Радиотехника и специальностей 200101.65 Приборостроение, 210302.65 Радиотехника, 210303.65 Бытовая радиоэлектронная аппаратура, 210304.65 Радиоэлектронные системы, 160905.65 Техническая эксплуатация
транспортного радиооборудования.
УДК 621.372(07)
ББК 32.841я73
© Сибирский
федеральный
университет, 2012
Учебное издание
Подготовлено к публикации редакционно-издательским
отделом БИК СФУ
Подписано в свет 18.06.2012 г. Заказ 8112.
Тиражируется на машиночитаемых носителях.
Редакционно-издательский отдел
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Тел/факс (391)206-21-49. E-mail rio@sfu-kras.ru
http://rio.sfu-kras.ru
2
Предисловие
Учебный курс «Радиотехнические цепи и сигналы» – РТЦиС, является
одной из основных базовых дисциплин, обеспечивающих подготовку современных специалистов в таких областях как – радиотехника, приборостроение,
бытовая радиоэлектронная аппаратура, радиоэлектронные системы, техническая эксплуатация транспортного радиооборудования и др., определяет технический прогресс фактически во всех областях науки, техники и производства.
Это обусловлено тем, что с помощью различных радиотехнических систем и
устройств решаются такие проблемы, как передача информации, извлечение
информации из электромагнитных колебаний, обработка, хранение и отображение информации, передача команд на управляемые объекты, контроль и обеспечение функционирования различных измерительных и производственных
процессов и комплексов.
Методические указания к лабораторным работам имеют практическую
направленность, включает возможность исследования семи работ по основным
нелинейным преобразованиям сигналов, основанные на современном лабораторном оборудовании. Почти все проблемы, решаемые при этом, характерны
для цепей и устройств, используемых в самых различных радиоэлектронных
системах.
Выполнение физических лабораторных работ и проведение виртуальных
исследований по тематике курса РТЦиС, способствуют формированию знаний
и умений, а также приобретению опыта при:
– освоении теоретического материала курса;
– построении и использовании схем проведения эксперимента;
− определении различных статических и динамических характеристик;
− оценки результатов измерений, моделирования и др.;
При выполнении лабораторных работ используются как различные
современные физические приборы, так и программные устройства, например
бельгийской фирмы Velleman Instruments, позволяющие анализировать данные
в режимах осциллографа, анализатора спектра, генератора сигналов и др. в
операционной
системе
Windows.
Предварительное
компьютерное
моделирование сигналов и анализ работы отдельных устройств целесообразно
проводить на основе, например, канадского программного пакета Electronics
Workbench (Multisim 8), а также широко использовать известные пакеты MathCad, MATLAB и программу Spectran, разработки кафедры Радиотехники
Сибирского Федерального Университета (СФУ).
В методических указаниях учтен и использован опыт других авторов и, в
частности, работы Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций. Для успешного освоения материала, приведённого в методических указаниях, используйте литературу [1-5].
3
Лабораторная работа № 1
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФОРМЫ И СПЕКТРА СИГНАЛОВ
БЕЗИНЕРЦИОННЫМ НЕЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
1.1. Цель работы
Изучение формы и спектра сигналов на выходе резистивной цепи,
содержащей нелинейный безинерционный элемент при моно и
бигармоническом воздействии.
1.2. Схема работы и измерительная аппаратура
В данной работе используется универсальный лабораторный стенд со
сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ. Принципиальная схема исследуемой цепи (рис. 1) содержит резистивный
усилительный каскад на полевом транзисторе. Для формирования этой схемы
достаточно переключатель нагрузки (R – LC) на передней панели сменного
блока установить в положение "R"; состояние остальных переключателей макета не имеет значения.
Источниками входных сигналов
Е
служат внутренние генераторы, гнёзда
R
и регуляторы выходного напряжения
которых расположены в левой части
iС
стенда (в блоке ИСТОЧНИКИ СИГКТ 2
НАЛОВ). Там же находится встроКТ 1
Вх 1
енный диапазонный звуковой генераВх 2
∑
Вх 3
тор. Входные сигналы, подаваемые на
uзи
любые из трех входов макета (гнёзда
ЕСМ
1÷3), а также напряжение смещения
ЕСМ, через сумматор (∑) подаются на
Рис. 1
затвор полевого транзистора (гнездо
КТ 1). Сумматор выполнен на операционном усилителе; его коэффициент передачи по каждому входу равен – 1. Схема сумматора исключает взаимное
влияние между входами 1, 2 и 3, что позволяет измерять напряжения каждого
источника, непосредственно на входе сумматора, не отключая остальные источники. Выходом макета является гнездо КТ 2 в цепи стока. Напряжение смещения устанавливается потенциометром в правой части стенда (ручкой «-ЕСМ»)
и контролируется вольтметром, расположенным рядом. Для измерения постоянной составляющей тока стока (iС) там же расположен микроамперметр. Для
включения прибора в цепь стока следует нажать кнопку "iС" сменного блока.
В работе следует использовать вольтметр переменного напряжения,
двухлучевой осциллограф и персональный компьютер (ПК с программой
«ТЭС»), который в данной работе используется в качестве спектроанализатора,
4
а также приборы с программным обеспечением PC–Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.
1.3. Предварительная подготовка
1.
Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе теоретические основы аппроксимации характеристик нелинейных резистивных элементов и теорию спектрального анализа.
2.
Выполните расчёт спектра косинусоидальных импульсов с углом
0
отсечки 90 (амплитуда входного сигнала ориентировочно – 0,5В; 1В).
3.
Проведите моделирование исследуемой схемы в одной из стандартных программ, например Multisim 8*.
*Работа с этой программой предшествует выполнению лабораторной работы на практических занятиях или при самоподготовке.
1.4. Лабораторное задание
1. Снимите и постройте вольтамперную характеристику нелинейного
элемента.
2. Исследуйте преобразование формы и спектра моногармонического
сигнала на квадратичном участке вольтамперной характеристики нелинейного
элемента.
3. Исследуйте преобразование формы и спектра бигармонического сигнала на квадратичном участке вольтамперной характеристики нелинейного элемента.
4. Выполните исследования по пунктам 2 и 3 для кусочнопараболического участка характеристики.
1.5. Методические указания
1. Снимите вольтамперную (сток-затворную) характеристику полевого транзистора iС=f(ЕСМ). Измерения проводите путём последовательной установки ряда напряжений смещения (см. табл. 1.1), измеряя для каждого из них
значения тока стока iС. При этих измерениях нажать кнопку " iС " (после измерений отключить) и снять отсчёт со встроенного миллиамперметра.
Таблица 1.1
ЕСМ
iС
В
мА
0
-0,5
-1
-1,5
÷
÷
Uн
0
При этом учтите, что полное отклонение стрелки этого прибора около 4,0
мА, и не зависит от положения переключателя пределов измерений. Во избежание ошибок при снятии вольтамперной характеристики следует отключить все
5
соединительные проводники от входов сумматора и нагрузку. После заполнения таблицы постройте график iС(ЕСМ), подобный рис. 2.
2. Моногармоническое воздействие имеет вид:
iC
uЗИ = ЕСМ + Umcos2πf1t.
uн
uЗИ
0
На построенной вольтамперной характеристике
(ВАХ) определите границы квадратичного участка
(uн<ЕСМ <0).
2.1. Исследуйте преобразование сигнала на квад-
Рис. 2
ратичном участке ВАХ.
2.1.1. Положение рабочей точки выберите на середине квадратичного
участка ВАХ, т. е. ЕСМ1 = uн/2, где uн – начальное напряжение отсечки (рис. 3).
Установить полученное значение ЕСМ1 потенциометром ЕСМ и занести его в таблицу 1.2.
Таблица 1.2
Спектр тока стока
ЕСМ1=...
В;
Частота
Амплитуда
0
f1 =1кГц;
f1
Um1=...В;
2 f1
U1=Um1 /√2 =...В
3 f1
...
...
2.1.2. Амплитуда входного сигнала Um1 должна быть такой, чтобы сигнал
занимал весь квадратичный участок ВАХ (от нуля до отсечки), т. е. Um1=|ЕСМ1|
(см. рис. 3).
Ввиду того, что часто измерительные приборы имеют градуировку в действующих (U), а не амплитудных (Um) значениях, следует установить на входе
макета (гнёзда Вх 1, Вх 2 или Вх 3) такое напряжение от источника "1 кГц" (от
диапазонного генератора установки или приборов PC–Lab2000), чтобы подключённый ко входу вольтметр показывал U1= Um1 /√2.
2.1.3. Временные диаграммы и спектры при
iC
моногармоническом сигнале наблюдайте на входе
(гнездо КТ 1) и выходе (гнездо КТ 2) преобразователя. Они зарисовываются друг под другом с сохранением соответствия, как по оси времени, так и по
uн
0 uЗИ
ЕCМ1
оси частот. Для анализа спектра на ПК соответствующее гнездо стенда соедините специальным проводом («колокольчик») со входом "А" ПК, расположенным внизу и по центру базового блока. (Для раUm1
боты на ПК в режиме спектроанализатора используйте программу, отмеченную в других работах, а
Рис. 3
при использовании приборов PC–Lab2000 – смотрите инструкцию или меню Help). На приводимых спектрограммах укажите час6
тоты в Гц и амплитуды спектральных составляющих в делениях (для PC–
Lab2000 вызовите в меню маркеры). Эти же данные внесите в таблицу 1.2.
2.2. Преобразование на кусочно-параболическом участке ВАХ.
2.2.1. Установите ЕСМ2 = uн.
2.2.2. Установите амплитуду входного сигнала Um2=|uн| (рис. 4). Обратите
внимание на используемое здесь обозначение: Um2 означает второе значение
амплитуды входного сигнала (не путать со второй гармоникой).
2.2.3. Повторите пункт 2.1.3 для ЕСМ2 и Um2, заполните таблицу 1.3, подобную табл. 1.2.
3. Бигармоническое воздействие имеет вид:
uЗИ = ЕСМ + U1mcos2πf1t+ U2mcos2πf2t.
В качестве второго гармонического сигнала с частотой f2=1.2 кГц используйте диапазонный генератор базового блока. На один из входов сумматора подайте прежний сигнал f1=1 кГц, на любой другой – f2=1.2 кГц (используйте
приборы PC–Lab2000).
3.1. Преобразование на квадратичном участке ВАХ.
iC
uн
0 uЗИ
ЕCМ2
Um2
Рис. 4
3.1.1. Установите смещение ЕСМ=ЕСМ1=uн/2 (рабочая точка на середине
квадратичного участка ВАХ).
3.1.2. Установите одинаковые амплитуды сигналов от разных источников
на обоих входах сумматора U1m=U2m=⏐uн/4⏐, при этом суммарный сигнал ("биения") не выйдет за пределы квадратичного участка.
3.1.3. Повторите п. 2.1.3 для новых параметров сигналов, заполнив соответствующую таблицу.
3.1.4. Повторите п. 2.1.3, предварительно уменьшив вдвое амплитуду одного из сигналов.
7
3.2. Преобразование на кусочно-параболическом участке ВАХ.
3.2.1. Установите ЕСМ=ЕСМ2=uн.
3.2.2. Установите амплитуды сигналов U1m=U2m=⏐uн/2⏐.
3.2.3. Повторите п. 2.1.3 для новых параметров сигналов.
1.6. Отчёт
Отчёт должен содержать:
1. Принципиальную схему исследования и результаты домашней подготовки.
2. Сток-затворную характеристику исследованной нелинейной цепи.
3. Аппроксимацию ВАХ для работы на квадратичном (параболическом),
кусочно-линейном и кусочно-параболическом участках.
4. Теоретический расчёт спектра для данных, использованных в эксперименте.
5. Осциллограммы и спектры исследованных процессов.
1.7. Контрольные вопросы
1. Каковы характерные особенности спектров тока, протекающего через
нелинейный безинерционный элемент, при моно и бигармоническом воздействиях?
2. Что называется порядком комбинационного колебания? Приведите
примеры.
3. Какова связь между наивысшим порядком комбинационного колебания и степенью полинома, аппроксимирующего характеристику нелинейного
элемента?
4. Перечислите наиболее часто применяемые методы спектрального
анализа колебаний на выходе безинерционных нелинейных преобразователей.
Укажите, при каких видах аппроксимации целесообразно применять каждый из
них.
5. Что называется углом отсечки, как определить его по осциллограмме
сигнала и как выразить аналитически?
6. Характеристика нелинейного элемента аппроксимирована ломаной линией.
Входное воздействие представляет собой сигнал вида u=ЕСМ+Umcosωt.
Пользуясь системой трех координатных плоскостей, покажите, как следует выбрать ЕСМ и Um, чтобы:
а) ток по форме повторял форму входного сигнала;
б) ток принял форму косинусоидальных импульсов с углом отсечки
0
90 .
7. Поясните, как работает преобразователь, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.
8
8. Как практически изменить положение рабочей точки на сток-затворной
характеристике полевого транзистора?
9. Перечислите все составляющие спектра тока, если на вход нелинейного элемента с параболической (квадратичной) ВАХ подать гармонические сигналы с частотами 5 и 6 кГц.
Лабораторная работа №2
УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ
2.1. Цель работы
Изучение процесса умножения частоты. Получение оптимального режима. Схема работы и измерительная аппаратура подробно рассмотрены в лабораторной работе Усиление сигналов [5].
2.2. Упрощенная схема работы и измерительная аппаратура
Для работы используется сменный блок ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ. Схема исследуемой цепи приведена на рис.
2.1 и представляет собой усилительный каскад на полевом транзисторе. В работе следует использовать вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и персональный компьютер (ПК), который в данной работе используется в качестве спектроанализатора (программа «ТЭС»), а также приборы с
программным обеспечением PC–Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.
КТ
2
Вх 1
Вх 2
Домашнее задание
КТ
1
Рисунок 2.1
9
2.3. Предварительная подготовка
1. Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе материал
по усилению сигналов и умножению частоты.
2. Аппроксимируйте сток–затворную характеристику, соответствующую
стенду, кусочно-линейной и кусочно-параболической функциями.
3. Рассчитайте амплитудную характеристику умножителя частоты разными способами:
3.1. При постоянном значении максимального значения импульса тока
(iмакс=const) использовать метод угла отсечки, основанный на коэффициентах
αn(θ) для кусочно-линейной аппроксимации. В качестве руководства к расчёту
используйте п. 3.1 методических указаний к данной работе и рис. 2.2. В таблице
2.1 вместо UВЫХ добавьте еще 3 строки: соsθ, θ и αn(θ).
iс
imax=сonst
u
uн
Есм2
0
Есм1
u
Um1
Um2
ωt
Рисунок
2.2
Рис. 2.2
3.2. При постоянном значении амплитуды входного сигнала (Umвх=const)
использовать метод угла отсечки, основанный на коэффициентах max γn(θ) –
для кусочно-параболической аппроксимации. Значение Umвх=1В, а Есм изменять
в пределах – (1÷6) В. Значение n (номер гармоники) выбирать от 2 до 4.
4. Приготовьте заготовку отчёта и внесите в неё результаты выполненных расчётов.
2.4. Лабораторное задание
1. Исследуйте работу умножителей частоты при постоянной величине
амплитуды импульса тока стока и при постоянной амплитуде входного сигнала.
2. Детально исследуйте режимы удвоения и утроения частоты. Обратите
внимание на особенности временных диаграмм результата умножения.
10
2.5. Методические указания
1. Принципиальная схема макета изображена на рис. 2.1. Переключатель
"НАГРУЗКА" – в положении "LC", переключатель "Rш" должен быть выключен
(кнопка отжата).
Настройку в резонанс осуществите путём изменения частоты встроенного
генератора установки в диапазоне 12÷16 кГц при UВХ≈0.5 В. Достижение резонанса фиксируйте по максимальному напряжению в цепи стока (гнездо КТ 2)
или по максимальному показанию микроамперметра стенда, постоянно включённому в цепь индикатора резонанса. Значение резонансной частоты f0 внесите в табл. 2.1. При исследованиях используйте приборы PC–Lab2000.
2. Частота генератора гармонических колебаний fВХ должна быть в n раз
меньше резонансной частоты контура, т. е. fВХ = f0/n, где n – кратность умножения; тогда n-я гармоника входного сигнала будет совпадать по частоте с частотой настройки контура f0. Точное значение fВХ определяйте по максимуму выходного сигнала при подстройке частоты генератора вблизи расчётного значения fВХ.
3. Амплитудную характеристику умножителя частоты измеряйте и рассчитывайте разными способами.
3.1. Для получения амплитудной характеристики умножителя частоты
при iМАХ=соnst выполните предварительный расчёт, в результате которого заполните первые три строки табл. 2.1.
Таблица 2.1
n=... ;
UВХ В
UmВХ В
ЕСМ В
UВЫХ В
Iсn мА
f0=...кГц;
1.0
fВХ=f0/n=... кГц;
1.5
2.0
2.5
...
Кратность умножения n (или номер выделяемой гармоники) выберите таким же, как и при расчётах спектра в домашнем задании. Соответственно установите частоту входного сигнала и его величину UВХ (действующее значение).
Вторая строка таблицы содержит амплитудные значения UmВХ, которые больше
UВХ в √2, т. е. UmВХ=UВХ√2. Третью строку таблицы рассчитайте так, чтобы при
всех изменениях максимальное напряжение на затворе было бы постоянно равно нулю. Для этого смещение по модулю должно равняться амплитуде сигнала,
т. е. ЕСМ = - UmВХ. При этом условии амплитуда импульса тока будет постоянной, но будет меняться угол отсечки θ и, соответственно, спектральный состав
тока стока, в том числе и амплитуда n-ной гармоники.
11
Для получения каждого значения UВЫХ (гнездо КТ 2) необходимо установить расчётные пары значений ЕСМ и UВХ из таблицы (причём сначала установите ЕСМ, затем UВХ) и, подстроив частоту генератора согласно п. 2, снимите отсчёт UВЫХ. Измерения UВЫХ продолжайте до тех пор, пока не будет найдено максимальное значение UВЫХ, которое соответствует оптимальному режиму умножителя частоты.
3.2. Для получения амплитудной характеристики умножителя частоты
при UВХ =соnst следует установить на входе (гнездо КТ 1) напряжение UВХ =1 В
с частотой fВХ=f0/n и, изменяя ЕСМ в пределах – (1.0 ÷ 6.0) В с шагом 0.5 В, измерять выходное напряжение на контуре (гнездо КТ2). Значение n берите то
же, что и при расчёте домашнего задания. Перед снятием каждого отсчёта UВЫХ
подстраивайте частоту генератора, добиваясь максимума UВЫХ согласно п. 2.
Найдите точное значение ЕСМ, при котором UВЫХ = UВЫХМАХ. Результаты представьте в виде табл. 2.2.
Таблица 2.2
n=... ;
ЕСМ, В
UВЫХ, В
Iсn мА
f0=...кГц;
-1.0
fВХ=f0/n=... кГц;
-1.5
UВХ =1 В
-2.0
4. Амплитудные характеристики умножителя для случая 3.1 – Iсn= ϕ1(UВХ)
и для случая 3.2 – Iсn= ϕ2(ЕСМ), рассчитайте по данным двух последних таблиц:
Iсn= UВЫХ/RЭО,
где RЭО – эквивалентное сопротивление колебательного контура на частоте резонанса (примите RЭО =1 кОм). Постройте график ϕ3 (или ϕ4).
Временные диаграммы и спектры для оптимального режима наблюдайте
и фиксируйте для той пары значений ЕСМ и UВХ, при которой напряжение n-ой
гармоники UВЫХ было максимальным.
Представьте осциллограммы и спектры следующих сигналов (с сохранением масштаба по оси времени):
• входного напряжения uВХ(t) – гнездо КТ 1;
• тока стока iC(t) – при нажатой кнопке "R", гнезда КТ 2;
• выходного напряжения uВЫХ(t) – при нажатой кнопке "LC", гнезда
КТ
2, для двух случаев: шунт включен (кнопка RШ нажата) и выключен (кнопка RШ
отжата), а также спектры вышеперечисленных сигналов. По временной зависимости iC(t) найдите значение угла отсечки θ. Эту величину найдите из сравнения отрезков, соответствующих периоду колебания (3600) и ширине основания
импульса тока (2θ).
5. Исследуйте временные диаграммы процесса умножения частоты при
другом значении n. Не изменяя установленных ранее значений ЕСМ и UВХ, настройте частоту генератора на получение гармоник с более высоким номером
12
(n=3...4 или др.). Добейтесь максимума UВЫХ путем небольшой подстройки ЕСМ.
Зафиксируйте осциллограммы и спектры процессов uВХ(t), iC(t) и uВЫХ(t) при отключённом шунте.
2.6. Отчёт
Отчёт должен содержать:
1.
Принципиальную схему исследованных устройств.
2.
Исходную и аппроксимированную сток–затворную характеристику
полевого транзистора для соответствующего варианта исследований.
3.
Таблицы исходных, расчётных и экспериментальных данных.
4.
Графики амплитудных характеристик ϕ1 и ϕ2, а также осциллограммы и спектры исследованных процессов.
2.7. Контрольные вопросы
1.
Изобразите схему умножителя частоты. Поясните принцип её рабо-
ты.
2.
С какой целью применяются умножители частоты?
3.
Как выбрать оптимальный режим работы усилителя?
4.
Как выбрать оптимальный режим работы умножителя частоты?
5.
Какова роль нелинейного элемента в схеме умножителя частоты?
6.
Какова роль избирательной нагрузки в схеме умножителя частоты?
7.
Как получить осциллограмму тока, протекающего через колебательный контур?
8.
Какое влияние оказывает выбор напряжения смещения на работу
умножителя частоты?
9.
Какое влияние и почему оказывает добротность контура нагрузки
на качество работы умножителя частоты?
10. Что такое коэффициент гармоник?
Лабораторная работа № 3
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ
3.1. Цель работы
Исследование процесса преобразования частоты при использовании нелинейного элемента с квадратичным участком вольтамперной характеристики.
3.2. Схема работы и измерительная аппаратура
Для работы используется универсальный стенд со сменным блоком
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ, фрагмент схемы
которого приведён в работе № 2 (рис. 2.1). Исследуемая цепь представляет
13
собой преобразователь на полевом транзисторе с избирательной нагрузкой (LCконтур) в цепи стока. На затвор полевого транзистора подаётся сумма
напряжений сигнала, гетеродина и постоянного напряжения смещения.
Для преобразования частоты используется квадратичный участок стокзатворной характеристики полевого транзистора.
Источником входного сигнала в данной работе служит дополнительный
генератор амплитудно-модулированных (АМ) колебаний или сигнал с АМ
синтезированный программным обеспечением PC–Lab2000. В этом генераторе
несущая частота (∼100 кГц) и частота модуляции (1 кГц) фиксированы;
напряжение несущей должно быть примерно 300 мВ, а глубина модуляции
может изменяться в широких пределах. Напряжение АМ колебания ("сигнал") с
выхода генератора должно быть подано на входные гнезда 1 исследуемой цепи.
Встроенный диапазонный генератор, играющий роль гетеродина, подключите к гнёздам 2. Частоту его колебаний выберите в соответствии с результатами предварительного расчёта равной fГ, напряжение – 1 В.
В качестве измерительных приборов используйте вольтметр, осциллограф и виртуальные приборы – осциллограф и анализатор спектра, которые
подключаются в процессе измерений необходимых характеристик, а также
приборы с программным обеспечением PC–Lab2000, работающие совместно с
ПК, для успешного использования которых обратитесь к инструкции и меню
Help.
Входной сигнал наблюдайте на гнёздах КТ 1, а напряжение гетеродина –
на гнёздах КТ 2. Для наблюдения процессов на затворе осциллограф должен
быть подключен к гнёздам КТ 1; гнёзда КТ 2 служат для наблюдения и
измерения выходного сигнала.
3.3. Предварительная подготовка
1. Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе материал
по преобразованию частоты сигнала.
2. Пользуясь сток-затворной характеристикой полевого транзистора, выберите напряжение смещения ЕСМ на середине квадратичного участка. С помощью указаний, данных в п. 3.2, рассчитайте ориентировочные значения частот
гетеродина fГ1 и fГ2.
3. Внесите в заготовку отчёта результаты расчётов.
3.4. Лабораторное задание
1. Наблюдайте преобразование частоты амплитудно-модулированного
сигнала.
2. Получите характеристику преобразования.
14
3.5. Методические указания
1. Принципиальная схема исследуемой цепи должна соответствовать работам Усиление сигналов – №5 и Исследование сигналов с АМ – №6 учебного
пособия по РТЦиС и приведена на рис. 2.1. Переключатель "R–LC" установите
в положение "LC". При выполнении работы используйте контур с пониженной
добротностью (RШ включено). Переключатели "СН" сменного блока, не используемые в данной работе, установите в нулевое положение (все кнопки отжаты).
2. Подготовительный расчёт проводите по формулам:
fПР= f0,
fГ1 = fН - fПР,
fГ2= fН+ fПР,
где fПР – преобразованная (промежуточная) частота; f0 – резонансная частота
контура (13÷15 кГц); fН=100 кГц – несущая частота сигнала; fГ – частота гетеродина.
Полученные величины внесите в приведённую ниже табл. 1.
3. Положение рабочей точки выберите на середине квадратического участка ВАХ транзистора. Найденное значение ЕСМ внесите в таблицу 1 и установите на стенде потенциометром "СМЕЩЕНИЕ".
4. Режим преобразования частоты обеспечьте настройкой одного из генераторов ("гетеродина") так, чтобы комбинационная разностная частота ⎜fГ fН⎜=fПР (промежуточная частота) совпала с резонансной частотой (f0) контура в
цепи стока. Перед настройкой установите на входе 1 UГ=1 В от генератора ("гетеродина") с частотой fГ1. На вход 2 подайте напряжение "сигнала". "Сигналом"
в данной работе является напряжение с выхода используемого генератора. Напряжение "сигнала" контролируйте встроенным вольтметром переменного напряжения. Для правильной установки АМ сигнала необходимо:
• убрать модуляцию (m=0);
• установить действующее значение напряжения несущей Un=0.5 В;
• установить глубину модуляции (30÷60)% и измерить её, наблюдая осциллограмму на входе 2. Такой порядок установки параметров АМ сигнала связан с тем, что вольтметры переменного напряжения не рассчитаны на сигналы с
меняющейся амплитудой.
Изменяйте частоту fГ1 до получения на выходе (КТ 2) АМ колебаний с
наибольшей амплитудой. Контроль ведите по осциллографу и микроамперметру стенда. Подстраивая в небольших пределах ЕСМ, добейтесь ещё большего
выходного сигнала.
5. Временные диаграммы входного сигнала и преобразованного колебания зарисуйте на одном листе с сохранением соответствия по времени; при
этом достаточно одного периода огибающей. Обратите внимание на частоту заполнения. Также зарисуйте выходное напряжение при отключенном гетеродине.
6. Перестройте частоту диапазонного генератора на fГ2, повторите п. 5
при этой частоте гетеродина.
15
7. Характеристику преобразования UПР=ϕ(UН) снимите после настройки
при любой из двух частот гетеродина fГ1 или fГ2. Для этого напряжение "несущей" UН берите от используемого источника сигнала при отсутствии модуляции. Задавая напряжения "несущей" в пределах от 0 до 1 В на входе сумматора
и, не меняя напряжение "гетеродина", заполните таблицу 1, на основании которой постройте график UПР=ϕ(UН).
Таблица 1
fПР =
UН, В
UПР, В
кГц
fН=... кГц;
fГ=... кГц;
ЕСМ =... В
Uг =1В
3.6. Отчёт
Отчёт должен содержать:
1. Принципиальную схему преобразователя частоты.
2. Исходную и аппроксимированную сток-затворную характеристику полевого транзистора для соответствующего варианта.
3. Таблицу исходных и экспериментальных данных; осциллограммы.
4. График амплитудной характеристики преобразователя, осциллограммы; спектрограммы.
3.7. Контрольные вопросы
1. Какова роль полевого транзистора в схеме преобразователя частоты?
2. Какая форма ВАХ нелинейного элемента наиболее удобна для преобразования частоты?
3. Какова роль избирательной нагрузки в схеме преобразования частоты?
4. Какие требования предъявляются к нагрузке нелинейного элемента
преобразователя частоты?
5. Изобразите схемы типовых преобразователей частоты.
6. Что такое крутизна преобразования? Определите крутизну преобразования исследованного преобразователя частоты.
7. Чем отличаются формы и спектры сигналов на входе и выходе преобразователя частоты?
8. Что такое характеристика преобразования преобразователя частоты?
Как снять её экспериментально?
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО МОДУЛЯТОРА
4.1. Цель работы
Исследование принципа действия частотного модулятора. Получение
характеристик частотного модулятора при воздействии на его вход
16
моногармонического сигнала. Исследование формы и спектра сигналов с
частотной модуляцией.
4.2. Схема работы и измерительная аппаратура
В данной работе используется универсальный лабораторный стенд со
сменным блоком ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ, упрощённая принципиальная схема
которого приведена на рис. 4.1. Объектом исследования в данной работе является левая часть схемы (между гнёздами КТ 1 и КТ 2).
Как можно увидеть из схемы, частотный модулятор представляет собой
RC генератор, состоящий их двухкаскадного резистивного усилителя (А1) и фазобалансной цепи (ФБЦ) или моста Вина, обеспечивающей положительную обратную связь. Частота генерации зависит от параметров ФБЦ – С3, С4 и сопротивлений каналов (RСИ) полевых транзисторов VT1 и VT2. Сопротивление канала (RСИ) зависит от управляющего напряжения, приложенного к затвору.
КТ 4
ФБЦ С3
VD1
С6
С1
КТ 1
R1
С8
f01
КТ 2 КТ 3
VT1
L1 L2
A1
VT3 С7
R2
f02
VT2
С4
R3
R4
С5
EСМ
С9
R7
R6
L3 L4 VD2
EС
МОДУЛЯТОР
R5
мкА
ДЕТЕКТОР
Рис. 4.1. Упрощённая принципиальная схема сменного
блока ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ
Таким
образом,
полевые
транзисторы
в
ФБЦ
являются
параметрическими элементами, управляемыми модулирующим напряжением.
Напряжение смещения (ЕСМ), являющееся постоянной составляющей
модулирующего
сигнала,
позволяет
установить
несущую
частоту
модулированного сигнала, а переменная составляющая, т. е. сам
17
модулирующий сигнал, поданный на гнезда КТ 1, обеспечивает девиацию
частоты Δfmax, зависящую от амплитуды модулирующего сигнала. Выходом
частотного модулятора являются гнезда КТ 2.
В схеме модулятора имеется блок автоматической регулировки усиления,
поддерживающий постоянную амплитуду ЧМ-сигнала (на схеме не показан).
В качестве источника модулирующего сигнала используется встроенный
диапазонный генератор базового блока, подключаемый к входу модулятора или
дополнительные программные (виртуальные) генераторы. Для контроля входного сигнала используйте вольтметр, осциллограф. Анализ спектра выполняйте
на основе отдельной программы ПК («ТЭС») в режиме «Спектроанализатор».
Кроме того, используйте приборы с программным обеспечением PC–Lab2000,
работающие совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.
4.3. Предварительная подготовка
Изучите основные вопросы теории исследуемой темы по конспекту лекций и рекомендованной литературе.
Выполните моделирование сигнала с угловой гармонической модуляцией с целью получения временных и спектральных характеристик для параметров сигнала, отмеченных в методических указаниях лабораторного задания.
4.4. Лабораторное задание
Снимите статическую модуляционную характеристику и определите оптимальный режим модулятора.
Определите влияние амплитуды модулирующего сигнала на форму и ширину спектра ЧМ-сигнала (при постоянной частоте модуляции).
Определите влияние частоты модуляции на форму и ширину спектра ЧМсигнала (при постоянной амплитуде модулирующего сигнала).
Наблюдайте форму сигнала на входе и выходе частотного модулятора.
4.5. Методические указания
4.5.1. Определение статической модуляционной характеристики
Статическая модуляционная характеристика (СМХ): f=φ(ЕСМ) снимите
при отсутствии модулирующего сигнала. Последовательно устанавливая потенциометром ЕСМ значения из таблицы 4.1, определите значения частоты модулятора f, подключив выход модулятора (гнездо КТ 2) к входу ПК, работающего в режиме анализа спектра или используйте для этого приборы PC–
Lab2000.
18
Таблица 4.1
ЕСМ
f
B
кГц
0
-0.5
-1
-1.5
…………
-6.5
По данным таблицы постройте график СМХ, на котором отметьте:
– положение рабочей точки (на середине линейного участка); откуда найдите ЕСМ ОПТ и несущую частоту f0 (по вертикальной оси);
– угол наклона линейного участка СМХ; (тангенс этого угла соответствует коэффициенту КЧМ модулятора);
– границы линейного участка (fMIN, fMAX).
Полученные данные сведите в табл. 4.2.
Таблица 4.2
ЕСМ ОПТ
f0
fМIN
fMAX
КЧМ
В случае хорошей линейности СМХ выбор несущей частоты некритичен,
однако, для последующих пунктов лучше выбрать f0=15÷17 кГц.
4.5.2. Исследование влияния амплитуды модулирующего сигнала на
спектр ЧМ (при FМОД=const)
1. По ряду заданных значений МЧМ (табл. 4.3) рассчитайте амплитуды модулирующих сигналов, а затем и действующие значения UC.
Таблица 4.3
Влияние амплитуды модулирующего сигнала (FМОД = 500 Гц)
МЧМ
ΔfMAX
UMC
UC
2Δf *
0
0.1
0.5
1.0
2.4
3.8
Для заполнения таблицы отметьте некоторые определения для ЧМ.
Индекс частотной модуляции
Δf MAX
МЧМ =
FМОД
.
(1)
Отсюда найдите ΔfMAX.
Определение ЧМ-сигнала Δf (t) = КЧМ UC(t).
При амплитудном значении гармонического сигнала Umc
ΔfMAX = КЧМ Umc .
19
(2)
Отсюда Umc= Δ fMAX / КЧМ.
Четвёртая строка таблицы заполняется исходя из необходимости пользоваться вольтметром переменного напряжения, имеющим градуировку в действующих значениях UC = Umc 0.707.
2. Подключите диапазонный генератор к входу модулятора (гнездо КТ 1).
Туда же подключите и вольтметр переменного напряжения (или используйте
осциллограф). Установите частоту модулирующего сигнала FМОД = 500 Гц. В
качестве источника модулирующего сигнала используйте диапазонный генератор базового блока или PC–Lab2000.
3. Последовательно устанавливая значения UC из таблицы 4.3 регулятором выхода генератора, получите на ПК (через звуковую плату), подключённом к выходу модулятора (гнездо КТ 2), спектры ЧМ-сигналов, которые можно
сохранить для последующего анализа (используйте Print Scr.). При использовании анализатора PC–Lab2000 для детального анализа следует в меню выбрать
маркеры, позволяющие уточнить значения амплитуд и частот гармонических
составляющих и сохранить отдельным файлом.
На каждой спектрограмме обязательно укажите:
•
условия проведения эксперимента;
•
частоты отдельных составляющих спектра;
•
практическую ширину спектра 2Δf *.
При определении 2Δf * учитывайте только ту часть спектра, в которой
амплитуды более 10% от максимальных амплитуд.
Полученные значения 2Δf * внесите в табл. 4.3.
4.5.3. Исследование влияния частоты модуляции на спектр ЧМсигнала (при UC=const)
1. Сохраняя схему соединений (п.2), установите значения UC из таблицы
3 для МЧМ = 2.4 и не меняйте его в дальнейшем.
2. Последовательно устанавливая частоты модуляции (табл. 4.4), получите спектрограммы соответствующих ЧМ-сигналов. В таблицу внесите значения 2Δf *.
Таблица 4.4
Влияние частоты модуляции (UC=const)
UC = …… B;
FМОД
Гц
Гц
2Δf *
МЧМ
f0 = …… кГц
50
100
250
500
1000
3. Заполните последнюю строку табл. 4.4, используя определение МЧМ и
необходимые данные из табл. 4.3.
20
4.5.4. Исследование формы колебаний на входе и выходе частотного
модулятора
1. Соедините один из входов двулучевого осциллографа с входом модулятора (для этого надо отключите вольтметр, сохраняя соединение с генератором). На другой вход осциллографа подайте выходной сигнал модулятора.
2. Установите частоту модуляции FМОД = 300 Гц, а уровень сигнала увеличивайте до тех пор, пока на осциллограмме выходного сигнала не появится паразитная амплитудная модуляция. Несколько уменьшите входной сигнал так,
чтобы огибающая ЧМ-сигнала стала ровной.
3. Установите синхронизацию осциллографа по тому каналу (входу), на
который подан высокочастотный (выходной) сигнал. Ручками синхронизации
добейтесь неподвижного (хотя бы на части экрана) изображения.
4. Подстраивая в небольших пределах частоту модуляции, добейтесь неподвижной картинки модулирующего сигнала. Иногда нужный эффект может
быть достигнут небольшой подстройкой несущей частоты (ручкой СМЕЩЕНИЕ).
5. Зафиксируйте осциллограммы на входе и выходе частотного модулятора.
4.6. Отчёт
Отчёт должен содержать:
1. Схему частотного модулятора.
2. Статическую модуляционную характеристику.
3. Спектры, таблицы и осциллограммы по всем пунктам исследований.
4. Теоретический расчёт спектров для
•
МЧМ = 2.4 (из табл. 3);
•
для FМОД= 250 Гц (из табл. 4).
Для расчётов принять Umo=1 В (амплитуда немодулированного сигнала).
5. Выводы по пунктам 2 и 3.
4.7. Контрольные вопросы
1.
Что такое угловая модуляция (УМ) и дайте определение ЧМколебания при гармонической модуляции.
2.
Приведите пример записи тонального ЧМ-колебания с параметрами
f0 = 100 МГц; FМОД = 10 КГц; ΔfMAX = 50 КГц.
3.
Опишите принцип действия частотного модулятора. Какие способы
получения ЧМ-колебаний Вам известны?
4.
Определите статическую модуляционную характеристику.
5.
Какими формулами определяются полная фаза и мгновенная частота сигналов с УМ?
6.
Как рассчитать спектр ЧМ-колебания?
7.
Представьте (качественно) спектр сигнала
i(t) = Im0 cos (ω0 t + 0.01 cos Ω t).
8.
Какое отношение имеют функции Бесселя к частотной модуляции?
21
Лабораторная работа № 5
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМ КОЛЕБАНИЙ
5.1. Цель работы
Исследование принципа работы и характеристик диодного детектора
5.2. Схема исследования и измерительная аппаратура
В работе используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ. Схема исследуемой цепи приведена на рис. 5.1. Переключатель "СН" даёт возможность изменять в
широких пределах постоянную времени RC-цепи (нагрузка диода). Изображенный на схеме микроамперметр находится в правой части приборной панели
стенда.
В качестве источника АМ сигнала с относительно низкой частотой несущего колебания (fН1=12...16 кГц) используется модулятор, исследованный в лабораторной работе №6 по АМ [5] и настроенный в соответствии с экспериментальными данными оптимального режима. Выход амплитудного модулятора
(гнездо КТ 3) является входом детектора.
КТ 2
КТ 4
КТ 3
Рисунок 5.1
При использовании других генераторов так же присоединять ко входу детектора (гнездо КТ 3), но при этом нагрузкой в модуляторе следует выбрать
"R". (Кнопка включения резистора "R" одновременно отключает ёмкость контура (на схеме макета это не показано) для того, чтобы исключить шунтирующее действие расстроенного низкочастотного контура (∼ 13 кГц) на генератор
высокочастотного сигнала.
Измерительные приборы подключаются ко входу детектора или к выходу
(гнездо КТ 4). Используются вольтметр, осциллограф и анализатор спектра
(ПК), а также приборы с программным обеспечением PC–Lab2000, работающие
совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.
22
5.3. Предварительная подготовка
1.
Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе основные вопросы темы "Детектирование АМ колебаний".
2.
Выполните расчёт параметров детектора при частоте несущего колебания 13 кГц и значении внутреннего сопротивления нелинейного элемента
20 Ом.
3.
Оформите заготовку отчёта.
5.4. Лабораторное задание
1.
Наблюдайте временные диаграммы и спектры в процессе
детектирования колебаний с разными постоянными времени нагрузки детектора.
2.
Изучите характеристику детектирования при малых и при больших
амплитудах входного сигнала.
5.5. Методические указания
1.
Временные диаграммы и спектры при детектировании наблюдайте
при подаче АМ колебаний с заданной частотой несущего колебания. Для этого
соберите схему модулятора и установите оптимальный режим по данным лабораторной работы для АМ [5]. Друг под другом с сохранением масштаба зарисуйте осциллограммы и спектры:
• модулированного колебания на входе детектора (гнездо КТ 3);
• напряжения на выходе детектора при всех значениях емкости нагрузки
СН (0; 3; 15; 30 нФ).
2.
Задания п. 1 повторите (без анализа спектров) при действии АМ колебаний с другим источником несущего колебания. Для этого к гнездам КТ 3
присоединяется источник АМ колебаний (например, сформированный в библиотеке PC–Lab2000); амплитуда несущей выбирается равной 1 В при
m=0.6...0.8. Переключатель "СН" установите вначале в положение "0". Переключатель R или LC (нагрузка полевого транзистора) – в положение "R".
3.
Исследуйте детектирование АМ сигналов с глубиной модуляции
m>1. Сохраняя схему измерений пункта 2, увеличьте до максимума глубину
модуляции. Зарисовать осциллограммы на входе и выходе детектора при СН=3
нФ и др.
4.
Характеристику детектирования I0(Uω) снимите при действии немодулированных колебаний, получаемых от встроенного диапазонного генератора
с частотой fН1(m=0). Переключатель СН – в положение 15 нФ. Ток детектирова-
23
ния измеряйте внутренним микроамперметром – при изменении Uω в пределах
до 1 В. Данные измерений занесите в таблицу 5.1, при этом особое внимание
обратите на выявление общего вида характеристики и, в частности, её начального участка (определить Uω при одном, двух и трех делениях шкалы микроамперметра).
Таблица 5.1
fН=... кГц
Uω, В
I0, мкА
m=0
CН=15 нФ
5.6. Отчёт
Отчёт должен содержать:
1. Принципиальную схему исследования и результаты предварительной
подготовки.
2. Таблицы экспериментальных данных.
3. График характеристики детектирования, а также осциллограммы и
спектры исследованных процессов.
5.7. Контрольные вопросы
1. Что такое детектирование? Поясните процесс детектирования АМ сигнала, пользуясь временными и спектральными представлениями.
2. Изобразите схему коллекторного детектора на транзисторе.
3. Какова характеристика детектирования диодного детектора при подаче
слабых сигналов?
4. Каковы условия линейного детектирования в схеме диодного детектора?
5. Изобразите схему диодного детектора. Поясните работу диодного детектора соответствующими временными и спектральными диаграммами.
6. С каким углом отсечки работает диод в схеме диодного детектора? От
чего зависит величина этого угла?
7. Из каких условий выбирается постоянная времени нагрузки при детектировании АМ сигналов?
8. Можно ли детектировать диодным детектором:
• АМ колебания при m>1;
• АМ колебания с подавленной несущей;
• колебания с однополосной модуляцией?
9. Что такое синхронный детектор и в каких случаях он может быть использован?
10. Как детектировать колебания с полярной модуляцией?
11. Чем отличается диодный детектор от выпрямителя?
24
12. Как экспериментально получить форму тока, протекающего через диод в схеме детектора АМ колебаний?
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРА ЧМ СИГНАЛОВ
6.1. Цель работы
Экспериментальное исследование
оптимального режима детектирования.
частотного
детектора.
Выбор
6.2. Схема работы и используемая аппаратура
В данной работе используется универсальный лабораторный стенд со
сменным блоком ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ (рис. 6.1). В качестве источника ЧМсигнала в работе используется частотный модулятор, рассмотренный в работе
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО МОДУЛЯТОРА. Выход частотного модулятора (гнездо КТ 2 на рис. 6.1) соединяется перемычкой с входом частотного
детектора (гнездо КТ 3). Выход частотного детектора (гнездо КТ 4) соединён
с микроамперметром, измеряющим постоянную составляющую тока детектора.
Схема исследуемого частотного детектора состоит из усилителя на полевом
транзисторе VT 3, в нагрузку которого включены два резонансных контура, настроенных на разные частоты (f01 и f02). Эти частоты расположены симметрично
относительно несущей частоты ЧМ-сигнала. Ток ЧМ-сигнала с постоянной амплитудой, протекая через два расстроенных контура, вызывает на них падения
напряжения, пропорциональные их сопротивлениям. Чем ближе мгновенная
частота ЧМ-сигнала к резонансной частоте контура, тем больше амплитуда напряжения на контуре и наоборот. Таким образом, линейная цепь (рассмотренный колебательный контур) преобразует ЧМ-сигнал в сигнал, в котором и амплитуда, и частота изменяются одновременно. Осциллограмма такого сигнала
внешне очень похожа на АМ-сигнал, но частота заполнения его меняется так
же, как у входного ЧМ-сигнала. Нагрузкой каждого контура является свой детектор огибающей (АМ-детектор).
Выходные напряжения АМ-детекторов (на резисторах R5 и R6) зависят
от расстройки контуров относительно мгновенной частоты ЧМ-сигнала. Для
идеальной работы ЧМ-детектора модуль полного сопротивления расстроенного
контура должен меняться прямо пропорционально девиации частоты ЧМсигнала. Однако на частотной характеристике контура имеется небольшой почти линейный участок в районе точки перегиба. Для увеличения ширины линейного участка характеристики детектирования применяют не один, а два симметрично расстроенных контура. Встречное включение диода (VD2) во втором
детекторе огибающей позволяет в значительной степени компенсировать нели-
25
нейность склона АЧХ-контура, а также компенсировать постоянную составляющую выходного сигнала.
Выходное напряжение ЧМ-детектора (гнездо КТ 4) равно разности напряжений на выходах АМ-детекторов: UВЫХ = UR5 – UR6.
В работе также используйте встроенные диапазонный генератор базового
блока (или программные генераторы), приборы постоянного и переменного напряжений, двухлучевой осциллограф и ПК, используемый как частотомер или
анализатор спектра, а также приборы с программным обеспечением PC–
Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых
целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.
КТ 4
ФБЦ С3
VD1
С6
С1
КТ 1
С8
f01
R1
КТ 2 КТ 3
VT1
L1 L2
A1
VT3 С7
R2
f02
VT2
С4
R3
R4
С5
EСМ
С9
R7
R6
L3 L4 VD2
EС
МОДУЛЯТОР
R5
мкА
ДЕТЕКТОР
Рис. 6.1. Упрощённая принципиальная схема сменного блока
ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ для исследования частотного детектора
6.3. Предварительная подготовка
1.
Изучите основные вопросы исследуемой темы по конспекту лекций
и рекомендованной литературе.
2.
Выполните моделирование детекторных характеристик.
3.
Проведите моделирование исследуемой схемы в одной из стандартных программ, например Electronics Workbench (EWB512 или Multisim 8)*.
*Работа с этой программой обычно предшествует выполнению лабораторной работы
на занятиях в компьютерном классе.
26
6.4. Лабораторное задание
1.
Снимите характеристику детектирования и выберите оптимальный
режим работы частотного детектора.
2.
Наблюдайте и фиксируйте сигналы на входе модулятора и выходе
детектора в оптимальном режиме и при отклонениях от него.
6.5. Методические указания
6.5.1. Исследование и снятие характеристики детектирования I0 =
φ2(f) производится при отсутствии модулирующего сигнала (МЧМ=0) путём
изменения частоты входного сигнала с измерением постоянной составляющей
тока детектора. При этом вход модулятора отключён (гнездо КТ 1 свободно),
между гнездами КТ 2 и КТ 3 установите перемычку, а управление частотой
осуществляйте изменением смещения («-ЕСМ») в модуляторе. Измерение частоты на выходе модулятора (гнездо КТ 2) производите с помощью ПК в режиме
«Спектроанализатор» или приборами PC–Lab2000, а ток I0 – микроамперметром, расположенным над вольтметром ЕСМ.
1. Изменяя напряжение смещения («-ЕСМ») в соответствии с таблицей 6.1
измерьте с помощью ПК (в режиме «Спектроанализатор» или приборами PC–
Lab2000) частоты модулятора и, одновременно с этим, ток детектора I0.
Таблица 6.1
Данные для статической модуляционной характеристики f = φ1(ЕСМ) и
характеристики детектирования I0 = φ2(f)
ЕСМ
f
I0
B
Кгц
мкА
0
-0,5
-1
-1,5
…………
-6,5
При заполнении табл. 6.1 кроме указанных значений ЕСМ добавьте те значения ЕСМ и f, при которых I0 принимает нулевое и экстремальные значения.
2. По результатам таблицы 6.1 постройте статическую модуляционную
характеристику (СМХ) и характеристику детектирования (ХД). Из графика ХД
определите оптимальное значение несущей частоты f0, соответствующее нулевому току детектора и максимальную девиацию частоты ΔfMAX, соответствующую границе линейного участка ХД, считая от частоты f0. Из СМХ определите
напряжение смещения ЕСМ ОПТ, при котором несущая частота равна f0 и макси-
27
мальная амплитуда сигнала UMC, при которой девиация частоты составит ΔfMAX.
Полученные значения параметров внесите в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Оптимальный режим частотного детектора
ЕСМ ОПТ, В
f0, кГц
ΔfMAX, кГц
UMC MAX, B
UC MAX, B
3. Соедините выход диапазонного генератора с гнездом КТ 1 (вход модулятора). Туда же подключите вольтметр переменного напряжения (или используйте осциллограф). Установите на генераторе гармонический сигнал с частотой FМОД=200 Гц и действующим значением UC МАХ (по вольтметру). Установите ЕСМ = ЕСМ ОПТ (из табл. 6.2).
4. Замените вольтметр на входе 1 на один из входов физического двухлучевого осциллографа (или осциллографа PC–Lab2000), а второй его вход соедините с выходом детектора (гнездо КТ 4).
5. Получите неподвижные осциллограммы, зафиксируйте их в отчёте.
Обратите внимание на «зубцы» выходной осциллограммы, связанные с работой
амплитудных детекторов (зарядом и разрядом конденсаторов нагрузки).
6.5.2. Работа детектора в неоптимальном режиме возникает при выходе сигнала за пределы линейного участка ХД.
1. Измените напряжение смещения на +0.5 В от оптимального. По графику СМХ или табл. 1 определите новое значение несущей частоты и внесите его
в отчёт.
Повторите п. 5 из 6.5.1.
2. Повторите п. 1, но при ЕСМ = ЕСМ ОПТ -0.5 В.
3. Восстановите прежнее значение ЕСМ ОПТ. Увеличьте модулирующий
сигнал UC в 1.5 раза. (Для этого на время измерения замените вход осциллографа, подключенный к гнезду 1 на вольтметр)
Повторите п. 5 из 6.5.1.
6.6. Отчёт
Отчёт должен содержать:
1.
Принципиальную схему частотного детектора.
2.
Статическую модуляционную характеристику частотного модулятора.
3.
4.
работы.
Характеристику детектирования.
Временные диаграммы оптимального и неоптимальных режимов
28
6.7. Контрольные вопросы
1.
Дайте определение и запишите формулу ЧМ-сигнала при гармонической модуляции.
2.
Амплитуда несущего колебания и амплитуда немодулированного
ЧМ-сигнала – это одно и то же или нет (дайте обоснование)?
3.
Какие требования предъявляются к частотному модулятору и частотному детектору?
4.
Какие функции выполняют частотный модулятор и частотный детектор?
5.
Как работает частотный детектор и для чего используются два контура?
6.
Какое отношение имеет функция Бесселя к спектру ЧМ-сигнала?
7.
Чему равна мощность ЧМ-сигнала? Сравните с мощностью АМсигнала.
Лабораторная работа № 7
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ
В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
7.1. Цель работы
Исследование преобразований законов распределения мгновенных
значений случайных сигналов при прохождении через нелинейные цепи.
7.2. Краткая характеристика исследуемых сигналов и цепей
В работе используется универсальный лабораторный стенд со сменным
блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В ЛИНЕЙНЫХ И НЕЛИНЕЙНЫХ
ЦЕПЯХ (рис. 7.1). В составе блока имеются три нелинейные безинерционные
цепи:
4 – односторонний ограничитель,
5 – двухсторонний ограничитель,
6 – нелинейная цепь, вызывающая искажение типа “центральная отсечка”.
В качестве источников исследуемых случайных сигналов используются:
генератор шума с нормальной плотностью распределения;
•
диапазонный генератор гармонических колебаний со случайной
начальной фазой;
•
аддитивная смесь этих сигналов при разных отношениях
сигнал/шум.
•
29
Рис. 7.1. Сменный блок для исследования преобразований
случайных сигналов в нелинейных цепях (блоки – 4; 5; 6)
Кроме универсальной лабораторной установки в работе используются
осциллограф, вольтметр и ПК, работающий в режиме “ГИСТОРАММА”
(программа «ТЭС»), для снятия кривых плотности вероятности (гистограмм).
При анализе реализаций исследуемых процессов используйте виртуальные
приборы ПК (программа «ТЭС») и приборы PC–Lab2000.
7.3. Предварительная подготовка
1. Изучите основные вопросы теории преобразования случайных сигналов в нелинейных цепях по конспекту лекций и рекомендованной литературе.
2. Выполните моделирование законов распределения нормального случайного процесса с нулевым средним значением и разных значений дисперсий;
повторить расчёты для закона распределения гармонического колебания со
случайной фазой. При расчётах используйте MathCad и Matlab, ознакомьтесь со
стандартными программами в этих пакетах. Примите амплитуду гармонического колебания равной Um=1 В и Um=0.5 В, а отношение сигнал/шум Um/σ=1;
Um/σ=2; Um/σ=3.
3. Рассчитайте плотность распределения огибающей узкополосного нормального случайного процесса с нулевым средним значением.
4. Рассчитайте плотность распределения огибающей аддитивной смеси
гармонического колебания и узкополосного нормального случайного процесса
с нулевым средним значением по численным данным п. 2.
5. Полученные результаты приведите в заготовке отчёта к лабораторной
работе.
30
7.4. Лабораторное задание
1. Исследуйте прохождение сигнала
распределения через нелинейные цепи (рис. 7.1).
с
нормальным
законом
2. Исследуйте особенности преобразований законов распределения при
прохождении случайных сигналов через нелинейные безинерционные цепи.
3. Исследуйте прохождение узкополосного сигнала с нормальным
законом распределения через амплитудный детектор.
7.5. Методические указания
1.
Прохождение сигнала с нормальным законом распределения
через исследуемые цепи
1.1. Воспользовавшись диапазонным генератором стенда установите сигнал с частотой 1 кГц и откалибруйте осциллограф так, чтобы при Uвх=0.35 В
размах синусоиды на его экране составлял ±1 деление. Затем, замените генератор с частотой 1 кГц на генератор шума (ГШ), используя ГШ стенда или ГШ
приборов PC–Lab2000, ручкой регулятора выхода ГШ установите ширину шумовой “дорожки” на экране ±3 деления, что соответствует ±3σ (согласно “правилу трёх сигма” для нормального случайного процесса). Следовательно, σ
шума соответствует 0.5 В. При последующем исследовании цепей не меняйте
ни уровень шума, ни усиление осциллографа (!).
1.2. Подключите ГШ к входу “А” ПК, работающего в режиме “ГИСТОРАММА”, с помощью ручки регулировки входного сигнала ПК, расположенной рядом с гнездом “А”, установите на мониторе требуемую интенсивность
сигнала (избегайте перегрузки звуковой платы). Зафиксируйте общую для всех
цепей реализацию сигнала на входе, график плотности вероятности и его параметры – m и σ.
1.3. Подключите выход ГШ к входу цепи – блок 4, а ПК – к её выходу,
зафиксируйте входную и выходную реализации, плотности вероятности входного ωвх(x) и выходного сигнала ωвых(x) и их параметры m и σ.
1.4. Повторить п. 1.3 для цепи 5 и 6.
2.
Исследование законов
различном отношении сигнал/шум
распределения
огибающей
при
2.1. Для получения узкополосного нормального процесса используйте полосовой фильтр (цепь 3, предварительно получите АЧХ с помощью приборов
PC–Lab2000), а для получения огибающей – амплитудный детектор, состоящий
31
из диодного ограничителя (нелинейная цепь 4) и ФНЧ (цепь 1), как показано на
рис. 7.2.
2.2. Соберите цепь в соответствии с рис. 7.2. Отключите генератор шума
от сумматора, подберите частоту генератора (в районе 6 кГц), при которой показания вольтметра достигнут максимума. Установите выходное напряжение
генератора таким, чтобы показания вольтметра на выходе цепи 3 соответствовали 0.35 В.
Рис. 7.2.
Отключите диапазонный генератор от входа сумматора и подключите туда ГШ. Отрегулируйте выходное напряжение ГШ так, чтобы на экране осциллографа, подключённого к выходу цепи 3, максимальная ширина шумовой “дорожки” составляла 6 клеток (6σ=6 клеток). Если калибровка осциллографа, выполненная в п. 1.1 не нарушалась, то σ при этом равно 0.5 В, а отношение Um
/σ=0 (так как генератор отключён).
2.3. Подключите ПК ко входу амплитудного детектора (вход цепи 4) и
далее к его выходу (выход цепи 1), зафиксируйте реализации и гистограммы
исследуемых сигналов.
2.4. Подключите диапазонный звуковой генератор ко входу сумматора и
отключите источник шума. Отрегулируйте выходное напряжение генератора
так, чтобы ширина осциллограммы в той же точке схемы составляла 2 клетки
(двойная амплитуда 2Um соответствует 1 В, т. е. Um=0.5 В). Подключите источник шума к входу сумматора и на его выходе получите аддитивную смесь “белого” шума и гармонического сигнала при Um/σ=1.
Повторите п. 2.3.
2.5. Отключите шумовой генератор от входа сумматора и отрегулируйте
выходное напряжение гармонического сигнала так, чтобы ширина осциллограммы составила 4 клетки (т. е. Um=1 В). Подключите источник шума ко входу сумматора. Если положение регуляторов выхода не нарушились, то σ попрежнему равно 0.5 В и, следовательно, Um/σ=2.
Повторите п. 2.3.
32
2.6. Повторите п. 2.5, но ширину осциллограммы (регулятором выхода
генератора) установите 6 клеток. Теперь амплитуда Um=1.5 В, а отношение
Um/σ=3.
Повторите п. 2.3.
7.6. Отчёт
Отчёт должен содержать:
1.
Функциональные схемы исследований и результаты домашней
подготовки.
2.
Результаты экспериментов с указанием условий их проведения.
3.
Выводы по полученным результатам исследований.
7.7. Контрольные вопросы
1.
Как находятся вероятностные характеристики случайных процессов
при нелинейных преобразованиях?
2.
Охарактеризуйте функцию распределения и плотность вероятности.
Поясните как они связаны?
3.
Меняется ли форма графика ω(х) при прохождении любого
случайного процесса через нелинейную безинерционную цепь?
4.
Как учитывается многозначность нелинейных характеристик при
нахождении плотности распределения?
5.
Как получить график ω(x) на выходе нелинейной цепи?
6.
Как рассчитать дисперсию и математическое ожидание на выходе
нелинейной цепи?
7.
Что такое закон Рэлея? Какой случайный процесс характеризуется
этим распределением?
8.
Какому закону подчиняется распределение мгновенных значений
огибающей смеси узкополосного нормального случайного процесса и
гармонического сигнала?
9.
Как рассчитать дисперсию процесса на выходе нелинейной цепи?
10. Как рассчитать математическое ожидание процесса на выходе
нелинейной цепи?
11. Как рассчитать отношение сигнал-шум на выходе линейного
детектора?
12. Как рассчитать отношение сигнал-шум на выходе квадратичного
детектора?
33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы / И. С. Гоноровский. – М.: Сов. радио, 1977 г.; 1986 г.; 1994 г.; 2006 г.
2. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. / С. И. Баскаков – М.:
Высшая школа, 1983 г., (179); 1988 г., (63); 2000 г.(53); 2003 г.
3. Радиотехнические цепи и сигналы / под ред. К. А. Самойло М.: Высшая
школа, 1982.
4. Тихонов, В. И. Нелинейные преобразования случайных процессов / В. И.
Тихонов. − М.: Радио и связь, 1986. − 259 с.
5. Патюков, В. Г. Радиотехнические цепи и сигналы: учебное пособие / В. Г.
Патюков, Е. В. Патюков. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – 67 с.
34
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ……………………………………………………………………....... 3
Лабораторная работа № 1. Преобразование формы и спектра сигналов
безинерционным нелинейным элементом………………………………………... 4
Лабораторная работа № 2. Умножение частоты …………................................. 9
Лабораторная работа № 3. Преобразование частоты ………........................... 13
Лабораторная работа № 4. Исследование частотного модулятора………….. 16
Лабораторная работа № 5. Детектирование АМ колебаний…………………. 22
Лабораторная работа № 6. Исследование детектора ЧМ сигналов………….. 25
Лабораторная работа № 7. Преобразование случайных сигналов в нелинейных
цепях…….................................................................................................................. 29
Список литературы………………………………………………………………... 34
35
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
11
Размер файла
369 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа