close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Salomasov2

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического
приборостроения
____________________________________________________________
В.В.Саломасов
УСТРОЙСТВА ПРИЕМА И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
Методические указания для выполнения лабораторных работ
по дисциплине
Часть 2
Санкт-Петербург
2018
ББК31.23
УДК620.1
В.В.Саломасов
Устройства приема и обработки сигналов. Методические указания для
выполнения лабораторных работ. Часть 2 / ГУАП. СПб., 2018. 26 с.: ил.9
Методические указания предназначены для выполнения цикла
лабораторных работ. В лабораторных работах приводятся исследования
общих показателей приемных устройств. Представлен теоретический
материал, позволяющий дополнительно ознакомится с теоретическими
положениями предстоящих исследований.
© Санкт-Петербургский
государственный университет
аэрокосмического приборостроения, 2018
© В.В.Саломасов, 2018
2
Содержание
1 Структурная схема и основные параметры радиовещательного приемника 4
1.1 Структурная схема радиовещательного приемника ...................................... 4
1.2 Стандарты и методы измерений показателей радиоприемников ................ 8
1.3 Основные качественные показатели вещательного приемника................... 9
2 Измерение коэффициента шума ....................................................................... 19
3 Логарифмические усилители ............................................................................ 23
3
1 Структурная схема и основные параметры радиовещательного приемника
1.1 Структурная схема радиовещательного приемника
Радиовещательный
предназначенное
для
приемник
представляет
извлечения
собой
аудиоинформации,
устройство,
переносимой
электромагнитными волнами. Рассмотрим простейший способ, когда на
передающей стороне осуществляется амплитудная модуляция (АМ) несущей
частоты
аудио
сообщением.
Как
известно,
спектр
амплитудно-
модулированного колебания содержит несущую частоту и две боковые
полосы частот, при этом полоса частот, занимаемая спектром, численно равна
двум верхним граничным частотам передаваемого сообщения. Интенсивность
передаваемого сообщения кодируется путем изменения глубины модуляции,
а среднее значение несущей остается неизменным. Энергетический спектр
сигналов на выходе антенны показан на рисунке 1.1,а. Задачей приемника
является – выделить спектр сигнала на некоторой заданной частоте с
наименьшими искажениями и не пропустить сигналы на других частотах.
Поэтому
оптимальной,
в
смысле
получения
минимальной
среднеквадратичной ошибки воспроизведения переданного сообщения,
амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) фильтра, входящего в состав
приемника, является АЧХ по форме, близкой
к прямоугольной. Полоса
пропускания этого фильтра должна быть равна полосе частот, занимаемой
спектром переданного сигнала. Далее отфильтрованный сигнал необходимо
усилить и продетектировать (рисунок 1.1,б). Техническая реализация фильтра
с АЧХ, близкой к прямоугольной, возможна только на совокупности
избирательных элементов (например, резонансных контуров) со сложными
связями, что практически делает невозможным их оперативную перестройку
на другую частоту. Полоса пропускания фильтра зависит от добротности
избирательных элементов, входящих в состав этого фильтра. Например, для
параллельного колебательного контура полоса пропускания определяется
как ∆F = f0/Q, где f0 – несущая частота, а Q – добротность. Практически можно
4
получить добротность в пределах Q = 20… 100. На средних, длинных и
коротких волнах верхняя граничная частота аудио сообщения составляет
порядка 4500 Гц, следовательно, полоса, занимаемая спектром АМ сигнала,
составляет 9 кГц. Таким образом, полосовой фильтр с такой шириной полосы
пропускания может быть реализован лишь в диапазоне частот f0 = 180… 900
кГц.
а)
S(f) К(f)
К(f)
2FВ
1
2
1
f1
2
f2
1
2
fN
f3
f
S(f)
АЧХ УНЧ
2
1
FВ
б)
f2
f
Д
К(f)
к УПЧ
Рисунок 1.1
Из
приведенного
удовлетворительными
примера
следует,
избирательными
что
приемник
характеристиками,
с
называемый
приемником прямого усиления, может быть реализован на фиксированной
частоте или в ограниченном диапазоне частот. Для решения задачи приема
сигналов в любом отведенном диапазоне частот с удовлетворительным
качеством избирательности американским инженером Эдвином Ховардом
Амстронгом в 1919г. была предложена схема супергетеродинного приемника
(рисунок 1.2). Идея супергетеродинного приема состоит в преобразовании
входной
смеси
на
некоторую
постоянную
частоту,
называемую
промежуточной (fПЧ), на которой выполняется условие f0/∆F= 20…100, где ∆F–
полоса частот, занимаемая спектром принимаемого сигнала. Так как
5
промежуточная частота постоянна, а при преобразовании разнос частот между
соседними станциями сохраняется, то можно использовать сложный
неперестраиваемый, настроенный на fПЧ, полосовой фильтр с АЧХ по форме,
близкой к прямоугольной.
АРУ
A
Входное
уст-во
УВЧ
Смеситель
Фильтр
УПЧ
Гетеродин
Детектор
Динамик
УНЧ
АПЧ
Преобразователь
частоты
настройка
ΔF = const
S(f)
ΔF
2 1
fПЧ3
АЧХ
УПЧ
2 1 1 2
fПЧ2
fПЧ1
АЧХ
преселектора
fПЧ
fПЧ
ΔF
1 2
f1
1 2 1 2
f2
f3
fГ
fi
fзер f
Рисунок 1.2
Преобразователь частоты состоит из смесителя и маломощного
генератора – гетеродина. На один вход смесителя, представляющего собой
некоторый нелинейный элемент, подается входной сигнал, а на другой вход –
сигнал гетеродина, к выходу смесителя подключен фильтр, настроенный на
промежуточную частоту fПЧ = fГ – fС, однако на ту же самую промежуточную
частоту преобразуется и мешающий сигнал так называемой зеркальной
частоты fПЧ = fЗ – fГ. Сигнал зеркальной частоты отстоит от основного по
частоте на величину, равную удвоенной промежуточной частоте – 2fПР. Для
6
того, чтобы сигнал зеркальной частоты не прошел на выход, его необходимо
отфильтровать до смесителя. Эту задачу решают избирательные элементы
входного устройства и УВЧ, которые получили название преселектора. Так
как зеркальный канал отстоит по частоте достаточно далеко – 2fПР, то жестких
требований к избирательности преселектора не предъявляется, иногда для
решения этой задачи достаточно одного или двух контуров. Для перестройки
на другой частотный канал необходимо изменить частоту настройки
гетеродина и преселектора, что делается одним совмещённым регулятором
настройки.
Под воздействием
изменения условий распространения радиоволн
может меняться величина продетектированного сигнала, хотя интенсивность
передаваемого сообщения
(коэффициент модуляции) не изменяется. Для
устранения влияяния этого эффекта на работу приёмника служит система
автоматической регулировки усиления (АРУ). Признаком изменения условий
распространения радиоволн является изменение величины постоянной
составляющей продетектированного напряжения принятого сигнала. Задачей
АРУ является выделение постоянной составляющей продетектированного
напряжения принятого сигнала и поддержание его постоянным путем
изменения коэффициента усиления усилительного тракта приемника.
При
рассмотрении
работы
супергетеродинного
предполагалось, что частоты принимаемого сигнала
приемника
fС и гетеродина
fГ
остаются неизменными. Однако под воздействием дестабилизирующих
факторов (изменения температуры окружающей среды, нестабильности
источников питания и других) fС и fГ изменяются, но достаточно медленно по
сравнению с изменением частоты fС из-за воздействия передаваемого
сообщения. Этот дрейф частоты приводит к изменению величины
промежуточной частоты, что может привести к тому, что спектр
преобразованного сигнала может частично, а при больших отклонениях fПР
даже полностью выйти за пределы АЧХ фильтра УПЧ. Для устранения этого
явления приходится расширять, по сравнению с оптимальной, полосу
7
пропускания фильтра УПЧ, что ухудшает его избирательные свойства и
помехоустойчивость приемника. Так как изменение fПР под воздействием
дестабилизирующих факторов сравнительно медленное по сравнению с
изменением передаваемого сообщения, то можно с помощью какого-либо
измерительного элемента (например, частотного детектора) сформировать
напряжение, пропорциональное отклонению fПР от своего номинального
значения, и фильтром низких частот выделить сигнал, зависящий только от
медленного дрейфа fПР. Этот сигнал можно использовать для подстройки
частоты гетеродина fГ, чтобы свести отклонение fПР к минимуму. Эту задачу
решает система автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина.
1.2 Стандарты и методы измерений показателей радиоприемников
Радиовещательный приемник характеризуется целым комплексом
параметров,
определяемых
действующими
стандартами.
Стандарты
определяют также условия измерений этих параметров.
В
Российской
Федерации
основным
стандартом,
определяющем
основные параметры приемника является государственный стандарт ГОСТ
5651–89. Аппаратура радиоприемная бытовая. Общие технические условия
[1]. Этот стандарт определяет следующие параметры приемника: диапазон
принимаемых частот, чувствительность, значения промежуточных частот,
избирательные свойства, эффективность АРУ, диапазон воспроизводимых
частот, выходную мощность, коэффициент гармоник всего тракта и другие
требования, предъявляемые в зависимости от класса и типа приемника.
Требования этого стандарта распространяются на тюнеры и комбинированные
устройства (радиолы, магнитолы и т.п.), а также на стереоприемники и
тюнеры, в том числе входящие в блочные и комбинированные установки.
Для проверки достоверности определяемых параметров необходимы
измерения, поскольку по целому ряду причин различного характера весь
комплекс
контролируемых
параметров
определить
расчетным
путем
невозможно. К этим причинам относятся естественный технологический
8
разброс электрических параметров активных и пассивных элементов
приемника, возможность образования разного рода паразитных связей,
различные условия эксплуатации, возможная неработоспособность некоторых
узлов или элементов при сборке из-за несовершенства технологического
процесса сборки сложного радиотехнического устройства, каким является
приемник.
Измерения для требуемой достоверности и объективности должны
выполняться при определенных стандартных условиях, чтобы результаты
могли повториться в различных местах. Именно поэтому вводятся так
называемые стандартные методы измерений в отличие от нестандартных. Они
оговариваются в ГОСТ 11515–91 Каналы и тракты звукового вещания.
Основные параметры качества. Методы испытаний (дата актуализации текста
19.03.2013 г.). Стандартные методы измерений требуют наличия стандартных
источников, определенных способов подачи этих сигналов на вход той или
иной части приемника, определенных условий и методов контроля выходных
параметров.
Нестандартные методы следует отнести к контролирующим методам.
Они используются, когда имеются объективные доказательства соответствия
результатов этих измерений стандартным. Эти методы и являются более
простыми
и
удобными
при
массовом,
поточном
производстве
радиоприемников, так как позволяют существенно упростить и удешевить
процесс контроля.
Ниже рассматриваются основные параметры и условия их измерений для
монофонического радиовещательного приемника, поскольку они являются
более общими.
1.3 Основные качественные показатели вещательного приемника
Каждый приемник характеризуется рядом параметров. Для вещательного
приемника основные параметры определены стандартами [1]. К ним относятся
диапазон принимаемых частот, чувствительность, избирательные свойства,
9
эффективность АРУ, диапазон воспроизводимых частот, выходная мощность
и некоторые другие параметры, обусловленные классом и типом приемника.
Диапазон принимаемых частот. Под диапазоном принимаемых частот
приемника понимается участок диапазона, в пределах которого приемник
может плавно или дискретно перестраиваться, быть настроенным на заданную
частоту и иметь при этом качественные показатели, удовлетворяющие
соответствующим стандартам. ГОСТом 5651-89 определены следующие
диапазоны
принимаемых
частот:
ДВ, кГц (м)
148,5 ... 283,5
(2020,2 ... 1058,2)
СВ, кГц (м)
526,5 ...1606,5
(569,8...
186,7)
KB, МГц (м)
3,95 ... 26,1
(75,9 ...
11,5)
УКВ1, МГц (м)
65.8 ... 74,0
(4,56 ...
4.06)
УКВ2, МГц (м) 100,0 … 108,0
(3,0 …
2,78)
(3,43 …
2,78)
FM, МГц
87,5 … 108
Допускается разбивка диапазонов принимаемых частот на поддиапазоны,
имеющие неполное перекрытие по частоте. Контролируются диапазоны при
проверке чувствительности, настройке и сопряжении контуров гетеродина и
преселектора.
Возможна
соответствующих
проверка
характеристик.
по
всем
диапазонам
Международная
и
снятие
электротехническая
комиссия (МЭК) и действующие в РФ стандарты допускают проверку в
некоторых фиксированных точках частотных диапазонов или поддиапазонов
[1].
Чувствительность.
Чувствительностью
приемника
называется
его
способность принимать возможно слабые сигналы с заданным уровнем
качества.
Количественно
чувствительность
оценивается
наименьшими
значениями ЭДC ЕА или мощности РА сигнала в антенне, при которых
обеспечиваются заданные величины напряжения или мощности сигнала на
выходе приемника и необходимое отношение между уровнями сигнала и шума
(при
обусловленных
параметрах
10
модуляции).
Таким
образом,
чувствительность приемника зависит от коэффициента усиления, уровня
собственных шумов и выходной мощности.
При испытании сигнал от генератора к приемнику может подаваться либо
с помощью кабеля, либо через внешнее поле. При использовании кабеля,
чтобы не изменять нормальных условий работы входного контура, кабель к
приемнику присоединяется через эквивалент антенны. Суммарная величина
комплексного сопротивления эквивалента антенны должна равняться
комплексному сопротивлению типовой антенны. В зависимости от типа
используемой антенны и диапазона частот стандартами определяются
эквивалентная схема антенны и параметры ее элементов. За уровень входного
сигнала принимается выходное напряжение генератора эквивалента.
При испытаниях приемника с рамочной или ферритовой антеннами и
качестве уровня входного сигнала принимается эквивалентная напряженность
электрического поля в том месте, где расположена эта антенна.
Уровень радиосигнала на входах приемников измеряется в микровольтах.
Различают чувствительность реальную и максимальную.
Реальная
чувствительность
определяется
минимальным
уровнем
входного стандартно-модулированного сигнала, при котором обеспечивается
стандартная (испытательная) выходная мощность при сданном соотношении
сигнал/шум. В радиовещании для измерений чувствительности используют
следующие стандартные величины:
- модулированный сигнал с глубиной модуляции
несущей m=0,3,
частотой модуляции F= 1000 Гц, в случае ЧМ сигнала глубине модуляции m=
0,3 соответствует девиация частоты 15 кГц при пиковой девиации 50 кГц и
девиация частоты 22,5 кГц при пиковой девиации 75кГц,
- стандартная выходная мощность выходной мощностью
PСТ = 50 мВт для приемников с
РВЫХ ≥ 150мВт и PСТ=5 мВт для приемников с PВЫХ≤
150 мВт.
- отношение сигнал/шум - 20 дБ (10 раз) для приемников AM сигналов и
26 дБ (18 раз) для приемников ЧМ сигналов.
11
Введение стандартной испытательной выходной мощности позволяет
устранить
влияние
значения
чувствительность среди
максимальной
выходной
приемников одного класса.
радиоприемника «Ленинград 002» при питании от сети
= 3,3 В на
RЭК
мощности
на
Так, например, для
PВЫХ=2,7 Вт (UВЫХ
= 4 Ом), то при выходной мощности РВЫХ= 50 мВт
напряжение на нагрузке составляет UВЫХ=UСТ= 0,45 В.
Максимальная чувствительность определяется минимальным уровнем
стандартно-модулированного входного сигнала, при котором обеспечивается
стандартная выходная мощность при установке всех органов управления
приемника в положения, отвечающие максимальному усилению. При этом
собственные шумы во внимание не принимаются.
Чтобы понять разницу между реальной и максимальной чувствительностью, следует обратить внимание на методику их измерений. При
определении реальной чувствительности регуляторы тембра и громкости
устанавливаются в среднее положение. От генератора подается стандартномодулированный сигнал с уровнем, обеспечивающим стандартную мощность
(UСТ). После тщательной подстройки приемника на частоту подаваемого
сигнала модуляция ГСС отключается. На выходе приемника измеряется
напряжение шумов. Оно должно быть на 20 дБ (10 раз) ниже выходного
напряжения, соответствующего стандартной выходной мощности (UШСТ).
Необходимый уровень шумов устанавливается регулятором громкости и
зависит от величины входного сигнала. Это связано с зависимостью
коэффициента передачи детектора от величины входного сигнала и с уровнем
срабатывания системы АРУ. Далее снова включается модуляция ГСС,
аттенюатором ГСС устанавливается выходное напряжение, соответствующее
стандартной выходной мощности. Последние операции
повторяются до тех
пор, пока не будут обеспечены требуемые значения UCТ и UШСТ
положении регулятора громкости.
12
одном
Значение напряжения ГСС, выраженное в микровольтах, а при
использовании генератора поля - в микровольтах на метр, и будет реальной
чувствительностью приемника в измеряемом диапазоне.
Для определения максимальной чувствительности регулятор громкости
устанавливается в положение, соответствующее максимальному усилению.
Уровень сигнала на выходе ГСС при стандартной выходной мощности
определяет максимальную чувствительность. Предельное значение реальной
чувствительности EA вещательного радиоприемника определяется в основном
значением коэффициента шума
E A = 4kT0 FDRA N 0
где k - постоянная Больцмана, равная 1,37∙10–23 Дж/град;
То -температура в абсолютных градусах Кельвина;
∆F - полоса пропускания линейной части приемника;
D - соотношение сигнал/шум;
RA - активное сопротивление антенны;
N0– значение коэффициента шума приемника, определяемое как
N 0 = N1 +
Ni − 1
N 2 − 1 N3 − 1
+
+ ... +
+ ... ,
K P1
K P1K P 2
K P1K P 2 ...K P (i −1)
N1 , N 2 , … , K P1 , K P 2 ,... коэффициенты шума и коэффициенты передачи по
мощности отдельных каскадов приемника.
Анализ этого выражения показывает, что общий коэффициент шума
приемника определяется в основном коэффициентом шума первого каскада, а
следующие каскады слабо влияют на коэффициент шума N 0 при условии, что
первый каскад имеет большую величину K P1.
Значение максимальной чувствительности приемника определяется лишь
коэффициентами усиления отдельных каскадов приемника.
Если при определения реальной чувствительности регулятор громкости
устанавливается в положение, соответствующее максимальному усилению, то
реальная
чувствительность
является
13
одновременно
максимальной
чувствительностью, У таких приемников чувствительность ограничена общим
усилением. Если максимальная и реальная чувствительности не совпадают, то
считается, что чувствительность приемника ограничена шумами.
Избирательные свойства. Под частотной избирательностью понимается
способность выделять полезный сигнал из совокупности сигналов и помех,
воздействующих на его вход. Для оценки избирательности используются
односигнальные (с одним генератором) и многосигнальные методы (с двумя
и более генераторами). Избирательность, измеряемая односигнальными
методами
(так
называемая
односигнальная
линейная
селективность),
предполагает наличие в каждый отдельный момент времени только одного
входного сигнала, уровень которого недостаточен для того, чтобы вызвать
нелинейные
эффекты,
и
неодновременное
воздействие
полезного
и
мешающего сигналов. Для характеристики односигнальной линейной
селективности вводятся следующие параметры.
1 Ослабление сигнала соседнего канала (частота соседнего канала
отличается от частоты настройки для приемников AM сигналов на ± 9 кГц, а
для приемников ЧМ сигналов на ± 180 кГц). Обеспечивается трактом ПЧ.
2 Ослабление сигнала зеркального канала. Частота зеркального канала
расположена относительно частоты настройки на величину двойной
промежуточной частоты в сторону частоты гетеродина. Стандартом
установлены частоты, на которых определяйся селективные свойства
приемника по зеркальному каналу: ДВ - на частоте 250 кГц, СВ - на частоте I
МГц, KB - на частоте 12 МГц, УКВ - на частоте 69 МГц.
Пря использовании растянутых диапазонов контрольные частоты
оговариваются особо. Избирательность по зеркальному каналу зависит от
избирательных свойств преселектора (входная: цепь, УВЧ).
3 Ослабление сигнала промежуточной частоты определяется на частотах
370 кГц, 560 кГц, 66 МГц.
4 Ослабление сигналов побочных каналов. Побочные каналы могут
появиться на частотах
14
fП =
mf Г  f ПР
,
n
где m и n- - любые целые числа;
fг - частота гетеродина;
f пр
- промежуточная частота.
5 Усредненная крутизна ската резонансной кривой приемника.
Обычно используется для оценки избирательных свойств приемников
ЧМ колебаний. Определяется как отношение разности ординат кривой
избирательности на заданных уровнях и разности соответствующих им полос
пропускания (рисунок, 1.1). Например, если заданными уровнями являются 6
и 26 дБ, то кривой избирательности определяются соответствующие им
полосы пропускания П26 и П0,6, тогда усредненная крутизна резонансной
характеристики может быть определена как
S=
26 − 6
дБ
,
0,5( П 26 − П 6 ) кГц
Параметры 1-4 определяются отношением уровня входного сигнала
частоты соседнего канала, промежуточной частоты, частот зеркального и
побочных каналов соответственно к входному уровню стандартно—
модулированного сигнала на частоте настройки приемника при стандартной
выходной мощности. При измерениях необходимо величину входного сигнала
ограничивать уровнем, выше которого могут возникнуть перегрузки каскадов.
В реальных условиях: уровни входных сигналов могут быть самыми
разнообразными и на приемник может воздействовать одновременно
несколько сигналов, что вызывает существенную зависимость селективности
приемника от нелинейных явлений в усилительных каскадах. Поэтому наряду
с односигнальной линейной селективностью регламентируются некоторые
характеристики, определяющие эффективную селективность приемника. Под
эффективной селлективностью приемника понимается способность его
отделять полезный сигнал на рабочей частоте при заданном входном уровне
15
от мешающих сигналов, уровень которых достаточен для того, чтобы вызвать
нелинейные эффекты. При этом предполагается, что полезный и мешающий
сигналы действуют одновременно, т.е. для измерений используются
многосигнальные методы. На селективность по соседнему каналу влияют как
недостаточная избирательность фильтров, так и перекрестная модуляция.
Перекрестная модуляция заключается в переносе частоты модуляции помехи
на частоту полезного сигнала. Вследствие нелинейных процессов в каскаде
перекрестная модуляция особенно проявляется, когда имеется только! одна
несущая частота полезного сигнала. Низкочастотное напряжение помехи
исчезает на выходе приемника, как только пропадает полезный сигнал.
Интермодуляция представляет собой эффект, вызывающий появление
напряжения на выходе, настроенного на прием несущей частоты полезного
сигнала приемника. Эффект обусловлен одновременным поступлением
немодулированных сигналов помехи, комбинационные частоты которых
могут давать частоту, близкую к промежуточной или к частоте полезного
сигнала.
Эффективность АРУ. Эффективность АРУ оценивается параметрами
функции UВЫХ= φ(UВХ). Основными из них являются динамический диапазон
изменения входных a и выходных b сигналов
a=
Uвх max
,
Uввхmin
b=
Uвых max
,
Uввыхmin
где
UВВМIN – входное напряжение несущей, соответствующее реальной
чувствительности приемника,
UВВЫХMIN
–
номинальное
значение
выходного
напряжения
продетектированного сигнала.
UВЫХMAX – максимальное значение выходного напряжения, при котором
коэффициент нелинейных искажений равен максимально допустимому
значению.
16
Эти параметры и определяют динамические диапазоны, выражаемые в
разах или в логарифмических единицах (децибелах): A=20lg a В=20 lg b. Чем
больше величина А (a) при том же значении В (b), тем выше эффективность
АРУ. В зависимости от класса приемника стандартом определяются
допустимые пределы изменений А и В.
Частотная характеристика всего тракта приемника по электрическому
напряжению. Эта характеристика определяет диапазон воспроизводимых
частот и уровень частотных искажений. Мерой искажений является
неравномерность частотной характеристики относительно определенной
частоты в полосе пропускания. Величина искажений обычно выражается в
децибелах. Стандартами на испытания радиовещательных приемников AM
сигналов в качестве этой частоты принимаются 1000 или 400 Гц. Допустимые
и необходимые неравномерности определяются при отработке электрического
тракта приемника и его акустической системы. Для приемников I класса
стандартом установлены диапазоны воспроизводимых частот в диапазонах
ДВ, СВ, KB – 80...5000 Гц, УКВ - 80...12500 Гц.
Частотная характеристика всего тракта приемника (сквозная характеристика) определяется
в основном амплитудно – частотными ха-
рактеристиками (АЧХ) трактов УПЧ и УНЧ, снимается она следующим
образом. После точной подстройки приемника на частоту принимаемого
сигнала генератор стандартных сигналов переводится в режим «Внешняя
модуляция», и его выходное напряжение модулируется внешним звуковым
генератором.
Частота
модуляции
меняется,
а
глубина
модуляции
поддерживается постоянной. Амплитудный спектр выходного напряжения
ГСС изображен на рис. 1.3. На этом же рисунке нанесена АЧХ УПЧ. При
изменении
Fм
в пределах плоской части АЧХ УПЧ соотношения между
спектральными составляющими напряжения на входе детектора будут
оставаться неизменными. Поэтому на выходе детектора напряжение будет
постоянным. Дальнейшее увеличение Fм приведет к тому, что в соответствии
с изменением АЧХ УПЧ боковые составляющие спектра усиливаемого
17
напряжения будут уменьшаться. Это приведет к уменьшению глубины
модуляции напряжения сигнала на входе детектора и к уменьшению
напряжения на его выходе.
Очевидно, что зависимость UВЫХ.Д повторяет АЧХ УПЧ (рисунок 1.4).
На этом же рисунке изображена АЧХ УНЧ. Наличие разделительных
конденсаторов вызывает спад АЧХ УНЧ в области нижних частот. Область
взаимного перекрытия амплитудно-частотных характеристик УПЧ и УНЧ
определяет сквозную характеристику всего тракта приемника.
Таким образом, высокочастотная область (верхняя воспроизводимая
частота) связана с широкополосностью тракта УПЧ, а нижняя граничная
частота - со свойствами низкочастотной области АЧХ УНЧ.
Выходная мощность. Она характеризуется двумя параметрами: номинальной выходной мощностью Pвых.н (определенная для данного типа
приемника выходная мощность, при которой обеспечивается заданное среднее
звуковое давление, а коэффициент гармоник по звуковому давлению не
превышает заданной величины)
и максимальной выходной мощностью
Pвых.м –выходная мощность, при которой коэффициент гармоник по
напряжению равен заданному значению). Из приведенных определений
видно, что максимальная выходная мощность является электрическим
параметром, а номинальная мощность определяется и акустическими
свойствами системы.
Стандартом
установлен допустимый коэффициент гармоник всего
тракта приемника по электрическому напряжению в процентах при номинальной выходной мощности и глубине модуляции т = 0,8 на частотах
200... 400 Гц и свыше 400 Гц в диапазоне УКВ при девиации частоты 50 кГц
и номинальной выходной мощности.
Обычно выполняется условие Pвых.н= 0,75 Pвых.м.
18
2 Измерение коэффициента шума
Коэффициент шума N линейного четырехполюсника это число,
показывающее,
во
четырехполюсника
сколько
PШ∑ВЫХ
раз
мощность
больше
полных
составляющей
шумов
PШ∑ВЫХ
этого
–
PШВХ,
обусловленной шумами внутреннего сопротивления источника сигнала,
выделяемыми на входном сопротивлении четырехполюсника RВХ
и
усиленного или ослабленного всеми его каскадами.
PШ ВЫХ
N= K P PШВХ 
(2.1)
где P Ш ВЫХ – полная мощность шумов на выходе четырехполюсника;
PШВХ – мощность шумов, выделяемая на RВХ.
Если обратиться к определению коэффициента шума, можно заметить,
что полная мощность шумов на выходе может легко измерена, например, с
помощью
миливаттметра,
а
измерить
составляющую
Kp
PШВХ
непосредственно измерить невозможно, так как выключить собственные
шумы можно только выключив питание каскада. Перепишем (2.1) в
следующем виде
N=
PШВЫХ
,
PШВХ K P
физически эту запись можно трактовать отношение пересчитанной полной
мощности шумов на вход к мощности шумов внутреннего сопротиления
источника
сигнала,
выделяемых
на
входном
сопротивлении
четырехполюсника.
Мощность полных шумов, пересчитанная с выхода на вход может быть
измерена методом известным из курса «Радиоизмерний» как метод
замещения. Суть этого метода состоит в следующем: если включить генератор
калиброванного напряжения то выходная мощность будет возрастать, когда
при некоторой ЭДС генератора ЕГ дополнительная мощность на входе
PШВЫх
достигнет величины
KP
полная выходная мощность возрастет в два раза.
19
Таким образом мощность шумов, пересчитанная с выхода на вход может быть
рассчитана
PШВЫХ
KP
=
E Г2 
RВХ ,
( RГ + RВХ ) 2
мощность
сопротивления источника сигнала PШВХ=
шумовой
шума
внутреннего
2
EШ
 RВХ ; средний квадрат
( RГ + RВХ ) 2
ЭДС внутреннего сопротивления
источника
сигнала R Г
определяется по формуле Найквиста
2
EШ
= 4kTFШ RГ ,
(2.2)
где FШ – шумовая полоса
Коэффициент шума определится как
E Г2
N= 4kTFШ R Г
(2.3)
Этот метод получил название – метод удвоения выходной мощности.
Для измерения коэффициента шума N необходимо измерить ЭДС
генератора, при которой создается удвоение выходной мощности и измерить
шумовую полосу пропускания FШ .
Шумовая
полоса
четырехполюсника.
FШ
Она
определяется
представляет
по
нормированной
собой
размер
АЧХ
основания
прямоугольника с единичной высотой и площадью, равной площади фигуры,
ограниченной снизу осью абцисс, а сверху кривой квадрата АЧХ

FШ = y 2 ( f )df ,

0
где y( f ) = K ( f ) K – нормированная АЧХ.
0
Этот метод обладает существенными погрешностями, связанными с
неточностью определения шумовой полосы. Существенно лучшие результаты
позволяет получить модуляционный метод измерения коэффициента шума.
Структурная схема измерителя приведена на рисунок 2.1.
20
эЭталонныйэээ
Эталонный
генератор
шума
Испытуемый
четырёх
полюсник
Автоматичес
кий
переключат.
кал
Квадратичн.
детектор
измер
Модулятор
генератора
шума
Фазовый
детектор
Усилитель с
изменяеым
коэфф.усилен
.
Калибр.
Индикатор
Рисунок 2.1
Эталонный генератор шума при подаче напряжения модуляции, равного «0»,
формирует шумовое напряжение со спектральной плотностью, равной
спектральной плотности шумов согласованного сопротивления Sш1= kT, где
k=1, 38∙10-23Дж/Гр. k– постоянная Больцмана, T = t0C+ 273 –абсолютная
температура. При подаче на модуляционный вход напряжения модуляции Um
спектральная плотность шума резко возрастает и составляет SШ2= kT+kTtШ.
Обычно tШ составляет порядка 70…80. tШ тщательно измеряется при
производстве и указывается в паспорте генератора шума. Модулирующее
напряжение Um представляет собой меандр, половину периода оно равно Um,
а вторую половину оно равно «0». На вход испытуемого четырехполюсника
подается напряжение эталонного генератора шума. Выход испытуемого
четырехполюсника
квадратичному
подключен
детектору
через
(КД),
автоматический
напряжение
21
на
переключатель
выходе
которого
пропорционально мощности шума. Основным узлом измерителя является
фазовый детектор (ФД) коммутационного типа, на один вход которого
подается напряжение КД , пропорциональное мощности шума, а на другой
вход ФД ослабленное напряжение модулятора генератора шума. Так как сдвиг
фаз между напряжениями с выход КД и модулятора ГШ равен «0», то
выходное напряжение ФД будет пропорционально изменению уровней
сигналов за период модуляции. Измеритель коэффициента шума имеет два
режима работы–калибровка и измерение. В режиме «Калибровка» на
управляющий вход автоматического переключателя подается напряжение,
равное «0» и он пропускает сигналы, поступающие на его вход без искажений.
При подаче на управляющий вход напряжения, отличного от нуля,
напряжение на его выходе будет равно нулю. В режиме «Калибровка»
напряжение, снимаемое с КД будет
UД1= КД[(kT +kTtШ)∆FШКР+PШС],
где PШС– мощность собственных шумов испытуемого четырехполюсника, при
отсутствии
модулирующего
напряжения
(вторая
половина
периода
модуляции) UД2= КД[kT∆FШКР+PШС]. Напряжение на выходе ФД – UФД=
KДКФД[[(kT +kTtШ)∆FШКР+PШС–(kT ∆FШКР+PШС)]=- kTtШ∆FШКР KДКФД
В режиме «Калибровка» изменением коэффициента усилителя с
изменяемым коэффициентом усиления добиваются с помощью ручки
«Калибровка» что бы показания индикатора соответствовали tШ., ПРИ этом
коэффициент передачи
KФД–ИНД=
tШ
1
=
K Д К ФД kTK P t Ш FШ I K Д К ФД kTK P FШ I
В режиме «Измерение» напряжение на выходе ФД
UФД=KДКФД( kTK P FШ I +PШС), показания индикатора
К Д К ФД (kTK P FШ I + PШС )
Tи= UФД∙КФД–ИНД
K Д К ФД kTK P FШ I
22
=
kTK P FШ I + PШС
kTK P FШ I
=N
Показания индикатора будут соответствовать истинному значению
коэффициента шума испытуемого четырехполюсника
3 Логарифмические усилители
Амплитудная характеристика идеального логарифмического усилителя
Уравнение амплитудной характеристики идеального логарифмического
усилителя имеет вид
Uвых= KUвх при условии, что Uвх Uвх1 и при Uвх  Uвх1
dU вых
M
=
dU вх
U вх
(3.1)
Решением дифференциального уравнения (1) является
U вых = M ln( U ВХ1 ) + C
(3.2)
коэффициенты М и С находятся из следующих начальных условий: при Uвх =
Uвх1Dвх Uвых = kNUвх1 Dвых, где Dвх и Dвых динамические диапазоны входных и
выходных сигналов соответственно. Учитывая сказанное, можно записать
Uвх1kN = M ln(Uвх1) + C
(3.3)
Dвых Uвх1kN = M ln(DвхUвх1) + С
(3.4)
Вычитая из (3.4) (3.3) получим
 D вх U вх1 
 = Uвх1kN(Dвых − 1),
U
вх1


M ln 
откуда
М= [Uвх1kN (Dвых − 1)]/ ln(Uвх1)
С определяется путем постановки (3.5) в (3.3)
Uвх1kN =
D вых − 1
Uвх1kN ln(Uвх1) + C,
ln(D вх )
откуда
23
(3.5),
C = Uвх1kN[( 1 +
D вых − 1  1 
]
ln 
ln(D вх )  U вх1 
(3.6)
После подстановки (3.5) и (3.6) в (3.3) получим
Uвых = Uвх1kN
D вых − 1
D −1  1 
] =
ln(Uвх) + Uвх1kN [( 1 + вых ln 
ln(D вх )
ln(D вх )  U вх1 
= Uвх1kN ( 1 +
U 
D вых − 1
ln  вх  ).
ln(D вх )
 U вх1 
Амплитудная характеристика усилителя показана на рисунке 3.1.
UВЫХ
UВЫХ
MAX
UВЫХ
UВХ1
NOM
UВХ MAX UВХ
Логарифмический усилитель на базе последовательности каскадов,
представляющих собой параллельное соединение усилителя – ограничителя и
каскада с единичным коэффициентом усиления.
24
Логарифмический усилитель
состоит из
К1
последовательно
Сумматор
каскадов,
1
N
соединенных
структурная
схема
одного из них представлена на
рисунке. Входной сигнал подается
параллельно на каскад–ограничитель, имеющий в линейном режиме
коэффициент усиления К1,
и усилитель с единичным коэффициентом
усиления. Выходные напряжения этих каскадов суммируются. В линейном
режиме коэффициент усиления такого каскада равен
K m = K1 + 1;
U ВЫХ = U ВХ ( K1 + 1) N U ВХ U ВХ 1
(3.7)
В момент, когда усилительный каскад входит в режим ограничения,
напряжение на его выходе составляет
U ВЫХ 1 = U ОГР (1 +
1
).
K1
(3.8)
Если в N каскадном усилителе m каскад входит в режим ограничения, то
напряжение на выходе этого усилителя можно записать как

1 
U ВЫХ = U ОГР ( N − m ) + 1 + 
K1 

(3.9)
Напряжение на входе m-го каскада
U ВХ (K1 + 1)m−1 =
U ОГР
K1
(3.10)
Логарифмируя (3.10) по основанию (K1+1), получим
m − 1 + log K +1 U ВХ = log K +1
1
1
U ОГР
,
K1
откуда
 U ОГР
m − 1 = log K +1 
 K1  U ВХ
1
Подставляя (3.11) в (3.9), получим
25

 .

(3.11)

KU
1
U ВЫХ = U ОГР  N +
+ log K1 +1 1 ВХ
K1
U ОГР

Известно,
что
когда
входное
напряжение

,

достигает
(3.12)
величины
UВХ = UВХ1, напряжение на выходе усилителя равно
вых ном = огр (1 +
1
),
1
следовательно,
вх1 (1 + 1) = огр (1 +
1
)
1
Откуда
U ОГР = U ВХ 1  (K1 + 1)N −1  K1 .
(3.13)
Подставляя (3.13) в (3.12), получим



K1U ВХ
1
 =
U ВЫХ = U ВХ 1 (K1 + 1)N −1 K1  N +
+ log K +1 
N −1

K1
 U ВХ 1 (K1 + 1) K1 

1

 U 
K1
U ВХ 1 (K1 + 1)N 1 +
log K +1  ВХ  ,
U 
 K1 + 1
 D{1 
1
переходя к натуральным логарифмам, получим

 U 
K1
1
N
U ВЫХ = U ВХ 1 (K1 + 1) 1 +
 ln  ВХ  .
 ( K1 + 1) ln (K1 + 1)  U D{1 
Уравнение
амплитудной
характеристики
(АХ)
(3.14)
идеального
логарифмического усилителя имеет вид
 D
− 1  U ВХ 
 ,
U ВЫХ = U ВХ 1 K 0 1 + ВЫХ
ln
ln
D
U
 ВХ 1 
ВХ

(3.15)
Сравнивая (3.14) и (3.15), легко видеть, что в точках перегиба при
кусочно–линейной аппроксимации ЛАХ (3.15) является уравнением АХ
идеального логарифмического усилителя. Зная динамические диапазоны
входных и выходных сигналов DВХ и DВЫХ , можно рассчитать величину
26
коэффициента усиления одного каскада логарифмического усилителя
K1/ = ( K1 + 1) , для чего необходимо решить нелинейное уравнение
K1
D
−1
1
= ВЫХ
,
( K1 + 1) ln (K1 + 1)
ln DВХ
(3.16)
Если K 1 достаточно велико, например, K 1  10, то полагая
K1
 1,
( K1 + 1)
тогда
D
−1
1
= ВЫХ
,
ln (K1 + 1)
ln DВХ
Откуда
1
K1 +1 = (DВХ ) DВЫХ −1 .
(3.17)
Общий коэффициент усиления
K0 =
U ВЫХНОМ
.
U ВХ 1
Коэффициент усиления в дБ равен K 0/ = 20 lg K 0 . Число каскадов


K 0/
определяется как N = 
 + 1 , где знак   , означает целое число от
20
lg(
K
+
1
)
1


дроби.
Пример
Необходимо спроектировать усилитель с кусочно-линейной ЛАХ,
имеющий следующие параметры
UВХ1= 15 мкВ, UВЫХНОМ = 1,5 В; DВХ= 80 дБ (10000), DВЫХ= 12дБ (12).
Общий коэффициент усиления K0 = UВЫХ НОМ/ U+= 100000 (100дБ);
Коэффициент усиления одного каскада K1+1= (DВХ ) D
1
ВЫХ
−1
1)= 21,54 (26,66дБ);


K 0/
 100 
N =
 +1 
 +1
20 lg( K1 + 1) 
26
,
66

 = 4.

Число каскадов
=
27
= 100001/(4-
Литература
1. ГОСТ 5651–89.
Аппаратура радиоприемная бытовая. Общие
технические условия. Издательство стандартов, 1989.
28
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
320 Кб
Теги
salomasov2
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа