Учебка / Фриск том 1

500 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

теристик. После описания функционального источника сигналов входим в режим анализа временных характеристик принципиальной схемы амплитудного детектора (рис. 14.1).

Для этого в меню главного окна выбираем команду Analysis, на выпадающем меню Transient и переходим в диалоговое окно задания пределов анализа Transient Analysis Limits (рис. 14.33).

Ðèñ. 14.33

Функции элементов диалогового окна описаны в комментариях к рис. 14.24. Для приведенного на рис. 14.33 перечня выводимых на экран зависимостей и указанных пределов анализа, и некоторых значений сопротивления нагрузки получены переходные характеристики в заданных узлах схемы (рис. 14.34).

Получить спектральные характеристики любой из приведенных на рис. 14.34 временных зависимостей можно выбрав команду Transient и на выпадающем подменю FFT Windows и на выдвигающейся вправо закладке Add FFT Window (рис. 14.35).

Войдя в диалоговое окно Properties(свойства) выбираем закладку Plot (рис. 14.36), которая позволяет выводить на экран монитора кривые (Curves). Число их можно увеличивать, нажимая на панель (Add), или уменьшать — (Delete) при этом на экран всегда будет выводиться автоматически (нажата кнопка Auto) кривая, указанная в рамке Title. В показанном на рис. 14.36 варианте представления кривых на экран будет выводиться только одна кривая (в рамке Plot Group — количество кривых — выбрана 1).

Она будет выводиться на экран (в рамке Curve нажата кнопка Show). В зависимости от требований на экран можно вывести спектр амплитуд (Mag) (в том числе в логарифмическом масштабе — dB) и фаз(Phase), а также действительную (Real) и мнимую (Image) части спектра, нажав соответствующую радиокнопку в рамке Expression. Нажав на указатель в рамке можно выбрать, спектр какой из изображенных на рис. 14.35 кривых, будет представлен на экране. Пролистав закладки диалогового окна Properties, на закладке Format

Лабораторная работа ¹ 14	501

Ðèñ. 14.34

Ðèñ. 14.35

502 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ðèñ. 14.36

можно изменить пределы анализа, точность и масштаб выводимых кривых; на закладке Colors, Font and Lines можно изменить цвет и толщину линий выводимых графиков; на закладке FFT (рис. 14.37) верхний (Upper) и нижний пределы временного интервала (Time Limit), где определяется спектральный состав. Число выбранных на нем точек (Number of Points) определяет точность вычислений, а число учитываемых и выводимых на экран спектральных составляющих указывается в рамке Auto Scaling. В указанном на рис. 14.37 варианте на экран выводится постоянная составляющая спектра (помечен режим Include DC Harmonic) и первые 10 гармоник спектра (Auto Scale First 10 Harmonics). Панели Default и Set Default используются для подтверждения введенных изменений (указание о выводе на экран спектра выбранной кривой, заданное на закладке Plot, уточняется на закладке FFT). Возвращаясь на закладку Plot, убеждаемся в правильности внесенных изменений и, после нажатия кнопки OK, получаем выбранную спектральную характеристику. На рис. 14.38 представлен амплитудный спектр тока диода. При этом масштаб по осям абсцисс и ординат выбирается автоматически.

Проделав аналогичные манипуляции получите амплитудный спектр напряжения на нагрузке детектора для параметров схемы заданной на рис. 14.1. Оцените величину коэффициента нелинейных искажений.

Влияние нагрузки на характеристики сигнала на выходе детектора рассмотрим при изменении емкости нагрузки С4 (рис. 14.1).

Выбрем в окне главного меню команду Analysis, а затем Transient на выпадающем меню и укажем условия и пределы анализа (рис. 14.39) во временнîй области.

Лабораторная работа ¹ 14	503

Ðèñ. 14.37

Ðèñ. 14.38

504 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ðèñ. 14.39

Нажав на кнопку Stepping, в подменю Transient Analysis Limits, войдем в режим пошагового варьирования емкости нагрузки С4 (рис. 14.40).

Ðèñ. 14.40

Назначение конкретных директив, радиокнопок, панелей подробно описаны при варьировании амплитуды генератора V1 (рис. 14.28). Изменение емкости нагрузки происходит с шагом 50 нФ. От 5 до 155 нФ. Для указанных значений компонентов схемы напряжение на нагрузке детектора представлено семейством кривых на рис. 14.41.

В соответствие с п. 2.2.4 для значений сопротивления нагрузки R6, изменяющегося от 1 кОм до 5 кОм с шагом в 1 кОм, получить семейство временных характеристик выходного напряжения при величине емкости нагрузки С4 = 20 нФ.

Для каждого значения сопротивления R6 определить коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения детектора. Полученные сведения внести в таблицу 3.

Таблица 3

Сопротивление нагрузки, кОм	1	2	3	4	5
Коэффициент нелинейных искажений, %

Лабораторная работа ¹ 14	505

Ðèñ. 14.41

5.Содержание отчета

5.1.Принципиальная схема амплитудного детектора.

5.2.Распечатку АЧХ усилителя с указанием значений коэффициента усиления и ширины полосы пропускания (должно обеспечиваться соответствие с таблицей 2).

5.3.Характеристики детектирования, полученные в результате машинного моделирования, для величины сопротивления нагрузки R6 = 1 кОм, 5 кОм и 10 кОм.

5.4.Временнûе зависимости выходного напряжения в зависимости от сопротивления нагрузки и соответствующие каждому значения коэффициента нелинейных искажений (таблица 3).

5.5.Краткие выводы.

6 Контрольные вопросы

6.1.Чем определяется коэффициент передачи амплитудного детектора?

6.2.Как оценить коэффициент передачи детектора по характеристике детектирования?

506Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

6.3.Назовите причины нелинейных искажений при детектировании АМ-сигналов.

6.4.Как зависит значение коэффициента передачи детектора от сопротивления нагрузки?

6.5.В чем отличие спектров тока диода детектора и выходного напря-

жения?

6.6.Как зависит величина нелинейных искажений при детектировании АМ-сигналов от нагрузки детектора?

6.7.Из каких условий определяется постоянная времени нагрузки детектора.

6.8.Что такое характеристика детектирования?

6.9.Как влияет на форму напряжения на нагрузке детектора величина емкости в нагрузке детектора?

6.10.Поясните принцип получения полезного (низкочастотного) сигнала на нагрузке детектора для известного спектра входного сигнала и частотных свойств детектора.

7 Список литеретуры

1.Радиопремные устройства / Под ред. проф. Н. Н. Фомина. М.: Радио и связь. 2003. С. 170—191.

2.Радиоприемные устройства / Под ред. проф. А. Г. Жуковского. М.: ВШ, 1989. С. 122—137.

3.Головин О. В. Радиоприемные устройства. М.: ВШ, 1997. С. 153—174.

4.Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. М.: Горячая линия—Телеком, 2003. 364 с.

5.http://WWW.spectrum-soft.com/demoform.shtm (адрес в Internet для получения студенческой версии ССМ МС).

8 Краткие теоретические сведения

8.1 Общая теория детектирования

Детектор — устройство, создающее выходное напряжение в соответствие с законом модуляции входного сигнала. Амплитудный детектор формирует напряжение в соответствие с законом модуляции амплитуды напряжения на входе амплитудного детектора (АД).

Основной тип АД — нелинейный, состоящий из нелинейного элемента и нагрузки, на которой создается напряжение низкой частоты. Другим вариантом реализации АД является устройство с периодически изменяющимися параметрами — синхронный детектор.

Наибольшее распространение вследствие простоты реализации при достаточно хороших основных показателях (коэффициент передачи, коэффициент гармоник) получил АД на полупроводниковом диоде.

При воздействии на детектор (рис. 14.42) напряжения высокочастотного сигнала uâõ(t) с амплитудной модуляцией в цепи нелинейного элемента НЭ протекает ток сложной формы, содержащий спектр входного сигнала и со-

	Лабораторная работа ¹ 14					507

Ðèñ. 14.42

ставляющие, появившиеся в результате умножения составляющих спектра входного сигнала и их взаимного перемножения в НЭ. Реальное число дискретных составляющих спектра тока, амплитуда которых убывает с частотой, бесконечно. Полезная составляющая тока НЭ с частотой огибающей АМ сигнала, полученная в результате перемножения составляющих спектра входного сигнала, выделяется фильтром низкой частоты ФНЧ (рис. 14.43, 14.44). Фильтр реализуется в виде простейшей RC цепочки, позволяющей выделять медленно изменяющееся напряжение низкой частоты (по сравнению с частотой входного воздействия).

Ðèñ. 14.43

Нелинейный элемент практически безинерционен, т. е. его свойства поч- ти не зависят от частоты действующего сигнала. Выходной ток НЭ определяется напряжением на его входе uâõ, напряжением на нагрузке uí и статической характеристикой

i = f(uâõ,uí).

(14.1)

Ðèñ. 14.44

508 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

При воздействии на входе детектора (контуре, принадлежащем выходному каскаду УПЧ) сигнала

uâõ = Uâõcos ω t

ток четырехполюсника (в общем случае) в установившемся режиме будет содержать постоянную и составляющие с частотой ω, 2ω, 3ω, ... Все эти составляющие тока будут создавать напряжение uí на нагрузке (рис. 14.44) Zí, также изменяющееся с частотой ω :

uí = fí(i),

(14.2)

ãäå fí (i) — линейная функция, связывающая ток в нагрузке с напряжением на нагрузке.

Совместно решая уравнения (14.1) и (14.2) можно найти ток и напряжение на нагрузке uí при воздействии сигнала, если известны f(uâõ,uí) è fí(i).

Изменение амплитуды входного сигнала Uâõ вызывает приращение постоянного тока ∆ I

∆ I = I0 – i0,

ãäå I0 постоянная составляющая тока в цепи детектора при наличии сигнала и равна среднему значению за период сигнала

	1	T
I0 =	T	∫
		i dt,	(14.3)
		0

à i0 — выходной ток 4-полюсника при отсутствии сигнала (Uâõ = 0), определяется его режимом i0 = f(0, u0).

Òîê i0 создает падение напряжения на Rí: u0 = I0Rí.

Приращение постоянной составляющей напряжения на нагрузке детектора

U0í = I0Rí

âустановившемся режиме при действии сигнала составит: ∆ uí = ∆ IRí.

Âобщем случае, для детекторов на полупроводниковых диодах i = f(uð), ãäå uð = uâõ + E0, Å0 — начальное напряжение смещения.

Включение параллельно Rí, Cí существенно влияет на величину выпрямленного напряжения. Увеличение Сí приводит к снижению сопротивления

нагрузки на частоте ω и при условии

1/ω Ñí << Rí

(14.4)

переменная составляющая с частотой входного сигнала будет мала по сравнению с постоянной составляющей выходного напряжения. Однако, слишком большое значение Сí может привести к искажениям при детектировании АМ сигналов из-за слишком большой постоянной времени цепочки СíRí, когда скорость изменения напряжения на нагрузке оказывается меньше скорости изменения амплитуды входного сигнала. Условием, определяющим значение емкости в цепи нагрузки АД является

dUâõ/dt << duí/dt,

(14.5)

Лабораторная работа ¹ 14	509

исключающим появление нелинейных искажений огибающей входного сигнала.

Наиболее важной характеристикой АД является характеристика детектирования, позволяющая определить напряжение на выходе, коэффициент передачи, оценить ограничения на амплитуду входного сигнала и глубину модуляции. Характеристика дектектирования в общем случае может быть получена при наложении некоторых ограничений на условия анализа: либо при условии, что амплитуда напряжения входного сигнала Uâõ меняется достаточно медленно (и нет ограничений на значение амплитуды), либо для достаточно быстрых изменений Uâõ, но для малых значений амплитуды входного сигнала.

При действии на входе АД немодулированного сигнала с амплитудой Uâõ постоянная составляющая тока детектора I0 и напряжение на нагрузке u0í определяются:

I0 = ϕ (Uâõ,uí);	(14.6)
u0í = I0Rí + Å0,	(14.7)

ãäå Å0 — начальное смещение.

При медленном за период несущего колебания, изменении амплитуды входного сигнала ∆ Uâõ, напряжение на входе АД можно записать

uâõ = (Uâõ + ∆ Uâõ) cos ω t.

(14.8)

При действии такого сигнала на входе АД среднее значение тока детектора и напряжения на нагрузке будут изменяться во времени и их мгновенные значения будут

i0 = I0 + ∆ I0;	(14.9)
uí = u0í + ∆ uí,	(14.10)

ãäå I0 è u0í — постоянная составляющая тока детектора и напряжение на нагрузке детектора при действии на входе немодулированного сигнала; ∆ I0 è ∆ uí — их приращения при изменении амплитуды входного сигнала на ∆ Uâõ. Приращения ∆ I0 è uí зависят не только от изменения входного сигнала ∆ Uâõ, но и от амплитуды немодулированного сигнала Uâõ.

Определим из (14.10) u0í = uí – ∆ uí и подставим в (14.6)

i0 = I0 + ∆ I0 = ϕ( Uâõ + ∆ Uâõ, –u0í – ∆ uí).

(14.11)

Разложим мгновенные значения тока АД, зависящего от мгновенной амплитуды входного сигнала и напряжения на нагрузке в степенной ряд по переменным ∆ Uâõ è ∆ uí

I0 + ∆ I0

= ϕ (Uâõ, – u0í) +

∂ϕ

∆ Uâõ +

∂ϕ

∆ uí +

∂U âõ

∂u í

1

∂2 ϕ

2

∂2

ϕ

∂2 ϕ

2

+

∆ U

âõ

−

2

∆ U

âõ∆ u í +

∆

u

í

+ ...

(14.12)

∂U2âõ

∂U âõ

2!

∂u í

∂u2í