Материал: методичка по лабам Рцис
колебательного контура, настроенного на частоту ω0 и имеющего полосу за-
пирания не меньше, чем 2Ω, получим напряжение с амплитудной модуляцией. Коэффициент модуляции
|
|
|
|
|
|
2 |
а U |
Ω |
+ |
5 |
а U |
E |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
U |
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
3 |
|
Ω 0 |
|
|
|
|
|||||
m = |
Ω |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
(11.7) |
||||
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|||||
|
U |
|
|
a + 2a E + |
a U 2 |
+ |
a U |
2 |
+ 3a E2 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
Ω |
|
||||||||||||||
|
|
|
1 |
2 0 |
4 |
|
3 |
|
|
2 |
|
3 |
|
3 0 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Из выражения |
|
(11.7) |
следует, |
что |
огибающая |
полученного |
АМ- |
||||||||||||||
колебания не воспроизводит закон модуляции, так как m зависит от UΩ не-
линейно. Но при квадратичной ( a3 = 0 ) ВАХ коэффициент модуляции
m = |
|
UΩ |
. |
||
|
|
||||
|
E0 |
+ |
a1 |
|
|
|
2a2 |
||||
|
|
|
|||
В этом случае закон модуляции воспроизводится без искажений. |
|||||
Гетеродинирование состоит в переносе спектра сигнала по частоте
без изменения структуры спектра. Гетеродинирование также осуществляется с использованием нелинейного элемента и может быть реализовано с помощью схемы, показанной на рис. 11.1.
Пусть u(t) – сигнал, подлежащий гетеродинированию, а ωc – средняя ча-
стота его спектра; |
uг(t) = Uг cos ωгt – колебание, создаваемое вспомогатель- |
ным генератором |
(гетеродином). Тогда полосовой фильтр должен быть |
настроен на частоту ωг ± ωc и иметь полосу пропускания, равную ширине спектра сигнала u(t) . Для получения минимального числа нежелательных продуктов преобразования характеристика нелинейного элемента должна быть близка к квадратичной, тогда спектр выходного сигнала будет содержать только составляющие ωг , ωc , ωг ± ωc , которые легко отфильтровать. Нели-
нейных искажений перенесенного на частоту ωг ± ωc сигнала при этом нет.
Амплитудное детектирование заключается в выделении из радиосиг-
нала его огибающей и восстановлении, таким образом, модулирующего сигнала. Рассмотрим преобразование однотонального АМ-колебания нелинейным двухполюсником с квадратичной ВАХ:
a |
+ a u + a u2 . |
(11.8) |
|
0 |
1 |
2 |
|
Подставив в (11.8) выражение входного высокочастотного напряжения
u(t) = UΩ cos ω0t :
126
i = a0 + a1UΩ cos ω0t + a2UΩ2 cos2 ω0t =
= a0 + a1UΩ cos ω0t + a2 UΩ2 + a2 UΩ2 cos 2ω0t, 2 2
выделим постоянную составляющую тока I0 = a0 + a2UΩ2 
2 и, вычитая из нее ток покоя a0 , найдем характеристику детектирования квадратичного детектора:
Id = |
a2 |
UΩ2 . |
(11.9) |
|
|||
2 |
|
|
|
Характеристика детектирования (11.9) оказывается параболической. При таком детектировании возникают заметные искажения: при тональной АМ ток в цепи
I |
|
= |
a2 |
U |
2 |
(1 + m cos Ωt)2 |
= |
a2 |
U |
2 |
+ a mU |
2 |
cos Ωt + |
a2 |
m2U |
2 |
cos 2Ωt , |
d |
|
Ω |
|
Ω |
Ω |
|
Ω |
||||||||||
|
2 |
|
|
2 |
|
2 |
2 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
помимо постоянной составляющей, от которой легко избавиться с помощью,
например, разделительного конденсатора, содержит гармонику с частотой Ω и создающее искажения колебание на частоте 2Ω. Если же модуляция осуществляется сложным (содержащим много гармоник) сигналом, то, кроме гармоник на частотах kΩ , возникают и комбинационные колебания, приводящие к дополнительным искажениям полезного сигнала. Такой детектор, выделяющий квадрат огибающей амплитудно-модулированного колебания, называют квадратичным.
Схема устройства, с помощью которого осуществляют квадратичное детектирование сигналов, имеет ту же структуру, что и описанные ранее устройства (см. рис. 11.1). Только у сумматора задействован один вход из двух и вместо полосового фильтра используют фильтр нижних частот.
Применение нелинейного элемента с характеристикой, аппроксимированной кусочно-линейной зависимостью (см. 10.1), позволяет построить амплитудный детектор, выделяющий сигнал, прямо пропорциональный амплитуде огибающей АМ-колебания. Кусочно-линейная аппроксимация характеристики нелинейного элемента адекватна в случае использования схемы при достаточно больших уровнях сигнала, при этом реализуется режим детектирования, называемый линейным. В этом смысле и говорят о линейности процедуры детектирования, которая является принципиально нелинейной операцией.
127
i |
|
ii((tt)) |
|
На |
рис. 11.3 |
приведены вре- |
|||
i |
|
|
|
|
диаграммы, |
|
|
||
|
|
|
|
менные |
|
поясняющие |
|||
|
|
|
|
работу амплитудного детектора. |
|||||
|
|
00 |
tt |
Со спектральной точки зрения |
|||||
|
U |
все три |
рассмотренных процесса – |
||||||
|
|
|
|
||||||
|
Uн((tt)) |
|
модуляция, детектирование и гете- |
||||||
|
|
родинирование – |
являются |
част- |
|||||
|
|
|
|
||||||
|
|
0 |
tt |
ными |
случаями |
преобразования |
|||
|
|
спектра, |
сводящегося к его перено- |
||||||
tt |
|
0 |
|||||||
|
|
|
су по оси частот. При амплитудной |
||||||
|
Рис. 11.3 |
|
|||||||
|
|
модуляции спектр модулирующего |
|||||||
|
|
|
|
||||||
сигнала (обычно низкочастотный) переносится в область высоких частот. |
|||||||||
При детектировании спектр модулированного радиосигнала переносится в |
|||||||||
область |
нулевой |
частоты. |
Гетеродинирование – |
промежуточный |
случай |
||||
(спектр радиосигнала сдвигается в заданную область по оси частот). |
|
||||||||
11.2. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из трех генераторов, осциллографа, анализатора спектра и лабораторного макета. Функциональная схема макета приведена на рис. 11.4.
|
Модулятор |
|
Преобразователь частоты |
НЭ3 |
|||
I |
|
|
|
|
|
|
|
Σ |
|
|
Σ |
|
|
|
|
II |
НЭ1 |
|
НЭ2 |
|
|
||
E0 |
1 |
2 |
3 |
III |
5 |
6 |
НЭ4 |
|
4 |
||||||
Амплитудный детектор |
||
а |
|
|
б |
|
|
7 |
8 |
9 |
Рис. 11.4
На входы I и II лабораторного макета подаются модулирующее и несущее колебания с генератора 1 и генератора 2 соответственно. На вход III подается сигнал гетеродина. С помощью переключателя S1 на вход 1 осциллографа можно подать одно из трех входных колебаний (I, II, III). Переключателем S2 осуществляется выбор контрольной точки (одной из девяти), сигнал с которой подается на канал 2 осциллографа и спектроанализатор. Переключателем S3 выбирается один из нелинейных элементов (НЭ3 или НЭ4) в блоке детектирования. С помощью ручки A регулируется уровень постоянной составляющей E0 на входе; ее значение отображается на приборе, располо-
128
женном на передней панели макета. Лабораторный макет содержит также два сумматора, два полосовых фильтра и фильтр нижних частот, амплитудночастотные характеристики которых приведены на лицевой стороне макета. Характеристика НЭ1, НЭ2 и НЭ3 – квадратичная с коэффициентом a2 = 7,5,
НЭ4 – кусочно-линейная (10.2) с параметрами Uн = 0 и S = 1.
11.3.Задание и указания к выполнению работы
1.Исследование амплитудной модуляции. Для получения амплитуд-
ной модуляции необходимо подать сумму несущего и модулирующего колебаний и постоянной составляющей на НЭ1. Для этого к входам I и II лабораторного макета подключить источники гармонического сигнала (генератор 1
игенератор 2) и установить на них частоты f0 ≈ 1,7 МГц и fΩ ≈ 15кГц .
Установить амплитуды колебаний U f 0 ≈ 7 В и UΩ ≈ 7 В. Задать уровень по-
стоянной составляющей E0 ≈ 0,5 В. Контроль значений амплитуд осуществ-
ляется по каналу 1 осциллографа, постоянной составляющей – по прибору на передней панели.
Зарисовать сигнал (канал 2 осциллографа) и его спектр после сумматора, т. е. в контрольной точке 1 (выбор контрольной точки осуществляется переключателем S2). Записать значения амплитуд несущего и модулирующего колебаний и постоянной составляющей (измерить по шкале осциллографа), а также записать значения мощностей тех же гармоник, измеренные с помощью спектроанализатора. Для удобного наблюдения спектра установить следующие параметры спектроанализатора: центральная частота 1 МГц, полоса обзора 2 МГц, полоса пропускания радиофильтра 3 кГц, полоса пропускания видеофильтра 300 Гц (полосы пропускания радиофильтра и видеофильтра при следующих измерениях должны оставаться такими же).
Зарисовать сигнал и его спектр после НЭ1, т. е. в контрольной точке 2. Записать значения мощностей гармоник. Для удобного наблюдения спектра установить следующие параметры спектроанализатора: центральная частота 2 МГц, полоса обзора 4 МГц. Чтобы подробней рассмотреть составляющие спектра на несущей частоте, установить следующие параметры спектроанализатора: центральная частота 1,7 МГц, полоса обзора 200 кГц.
Для контрольной точки 3 произвести измерения, аналогичные измерениям в точке 2.
129
2. Исследование гетеродинирования. Для осуществления гетеродини-
рования на второй НЭ2 необходимо подать сумму сформированного в п.1 АМ-колебания и сигнала гетеродина. Для этого к входу III лабораторного макета подключить источник гармонического сигнала (генератор 3) и уста-
новить на нем следующие параметры: fг ≈ 1,5МГц, Uг ≈ 7,5В.
Зарисовать спектр сигнала после сумматора, т. е. в контрольной точке 4. Записать значения мощностей гармоник. Для удобного наблюдения спектра установить следующие параметры спектроанализатора: центральная частота 1,5 МГц, полоса обзора 3 МГц.
Зарисовать спектр сигнала после НЭ2, т. е. в контрольной точке 5. Записать значения мощностей гармоник. Для удобного наблюдения спектра установить следующие параметры спектроанализатора: центральная частота 2 МГц, полоса обзора 4 МГц. Чтобы подробней рассмотреть составляющую спектра на разностной частоте сигнала и гетеродина, установить следующие параметры спектроанализатора: центральная частота 200 кГц, полоса обзора 400 кГц.
Для контрольной точки 6 произвести измерения, аналогичные измерениям в точке 5.
3.Исследование квадратичного детектирования. Для осуществления квадратичного детектирования необходимо подать полученное при гетеродинировании АМ-колебание на НЭ3. Для этого установить тумблер S3 в положение a.
Зарисовать сигнал и его спектр после НЭ3, т. е. в контрольной точке 7. Записать значения мощностей гармоник. Для удобного наблюдения спектра установить следующие параметры спектроанализатора: центральная частота 250 кГц, полоса обзора 500 кГц.
Зарисовать сигнал и его спектр после полосового фильтра и конденсатора, т. е. в контрольных точках 8 и 9. Записать значения мощностей гармоник. Для удобного наблюдения спектра установить следующие параметры спектроанализатора: центральная частота 250 кГц, полоса обзора 500 кГц. Чтобы подробней рассмотреть низкочастотную составляющую спектра, установить следующие параметры спектроанализатора: центральная частота 25 кГц, полоса обзора 50 кГц.
4.Исследование линейного детектирования. Для осуществления линей-
ного детектирования установить тумблер в положение б, чтобы снимать продетектированный сигнал с выхода НЭ4. Измерения проводить аналогично п. 3.
130