Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ ТРАНЗИСТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Цель работы: изучение характеристик частотных модуляторов, рассмотрение практических схем устройств, реализующих прямой и.косвенный методы частотной модуляции.

Методические указания по подготовке к работе

При частотной модуляции (ЧМ) в соответствии с мгновенным значением модулирующего сигнала изменяется текущее значение ча­стоты ω высокочастотного колебания, излучаемого передатчиком. В простейшем случае модуляции гармоническим сигналом с частотой Ω

ω = ω₀ + Δ ωcos Ωt,

где ω₀ - центральная частота ЧМ колебания; Δ ω- девиация час­тоты, величина, пропорциональная амплитуде модулирующего сигнала.

Мгновенное значение тока высокочастотного колебания при ЧМ представляется в виде

i=Icos(ω₀t+MsinΩt),

где M= Δ ω/Ω - индекс ЧМ; I - амплитуда колебания тока высокой частоты, остающаяся постоянной.

Полоса спектра частот, занимаемая ЧМ колебанием, составляет

Применение ЧМ обусловлено рядом достоинств,

1. Постоянство амплитуды колебаний тока высокой частоты позволяет обеспечить энергетически выгодные, критический или перенапряженный режимы работы мощных каскадов передатчика,

2. При значительных индексах модуляции помехоустойчивость систем с ЧМ оказывается большей, чем в системах о AM;

Возможны два варианта осуществления частотной модуляции -прямой и косвенный. В модуляторах, реализующих прямой метод, в соответствии с мгновенным значением модулирующего сигнала низкой частоты изменяется собственная частота колебательной системы автогенератора, определяющая частоту колебаний возбудителя передатчика. Эффект достигается включением в состав колебательной системы автогенератора реактивного элемента, управляемого модулирующим сигналом. В работе исследуются частотные модуляторы, в которых в качестве реактивных элементов используются варикапы и "реактивный" транзистор. Варикап - полупроводниковый диод, закрытый p-n- переход которого обладает емкостью, зависящей от величины приложенного запирающего напряжения “е “ :

C_в=C_н[]ⁿ

где C_н - начальная емкость при e=0 , = 0,3... 0,5 В - контактная разность потенциалов,n - показатель, характери­зующий конкретный тип варикапа. Модулирующее напряжение низкой частоты, воздействуя на варикап, изменяет его емкость, являющу­юся составляющей эквивалентной емкости колебательной системы автогенератора, что, в свою очередь, приводит к изменение ча­стоты колебаний, генерируемых .автогенератором. Приближение к линейному характеру зависимости частоты от величины модулирующе­го напряжения обеспечивается соответствующим выбором постоян­ного смещения на варикапе, установлением определенных пропорций между C_в и емкостями конденсаторов, входящих в состав колебательной системы, и выбором относительной девиации часто­т не более 1…2%, Если требуется больший индекс мо­дуляции, то применяют умножение частоты (в работе - удвоение).

Большую девиацию частоты и меньшие искажения, чем варика­пы, обеспечивают частотные модуляторы на "реактивных" транзи­сторах. Коллектор "реактивного" транзистора включается в коле­бательную систему автогенератора, тогда как на его переход ба­за-эмиттер высокочастотное напряжение с колебательной системы снимается через фазосдвигающую цепочку. Сдвиг фазы напряжения по отношению к Ůкэ должен составлять ±90°, в этом случае и коллекторный ток Ì_К также будет сдвинут на +90° относи­тельно Ůкэ, что свидетельствует о реактивном характере прово­димости транзистора, который может быть как емкостным, так и индуктивным. Модулирующее напряжение низкой частоты совместно о постоянным смещением управляет крутизной транзистора, а сле­довательно, и величиной тока коллектора или его реактивной проводимостью, что приводит к модуляции частоты колебаний автоге­нератора. Принципиальная схема "реактивного" транзистора и фазосдвигающих цепей представлены на рис.5.1.

а) б) в)

Рис.5.1. Схема "реактивного" транзистора (а); фазосдвигающие цепи, обеспечивающие эквивалентную индук­тивность (б) и эквивалентную емкость (в)

Получение ЧМ косвенным методом связано с использованием фазовых модуляторов, для которых в соответствии с мгновенным значением модулирующего сигнала изменяется сдвиг фаз ∆φ между выходным и входным колебаниями высокой частоты. Максимальный фазовый сдвиг ∆φ_max (индекс фазовой модуляции) пропорционален амплитуде модулирующего напряжения низкой частоты U_Ω , т.е.

При этом девиация частоты ∆ω становится зависящей от частоты модулирующего сигнала Ω

,

чего нет при ЧМ. С целью исключения такой зависимости и получения требуемых для частотной модуляции характеристик модули­рующий сигнал низкой частоты пропускают через четырехполюсник, обладающий АЧХ, обратно пропорциональной Ω. В качестве фа­зовых модуляторов могут применяться фазовращатели на перестраи­ваемых колебательных контурах, включающих варикапы, управляе­мые модулирующим сигналом. В данной работе исследуется активный мостовой фазовый модулятор на варикапе. Преимущество косвенных методов заключается в возможности обеспечения высокой стабильности центральной частоты за счет использования задающего квар­цевого генератора при одновременном получении значительной де­виации частоты в процессе модуляции.

Описание лабораторной установки

Принципиальная схема макета представлена на рис.5.2. В со­ставе макета - автогенератор, выполненный на транзисторе VT1 по емкостной трехточечной схеме. Последовательно с индуктивно­стью колебательной системы L2 включены встречно варикапы VD1 и VD2, что исключает, влияние напряжения высокой часто­ты на величину их суммарной емкости. Смещение на варикапы пода­ется с регулируемого делителя R5~R6 , модулирующее напряже­ние низкой частоты - с выхода генератора ЗГ через делитель 1:10. Стабилизация центральной частоты обеспечивается подклю­чением кварцевого резонатора к индуктивной ветви контура (поло­жения переключателя S1 "2", "3", "4").

Буферный каскад на транзисторе VT2 выполнен по схеме с общим коллектором, развязывает колебательную систему автогенератора и входы последующих каскадов и измерительных приборов.

Косвенный метод частотной модуляции реализуется посредством подачи стабилизированного колебания высокой частоты автогенератора (VT1) и модулирующего колебания низкой частоты через цепочку R16, C10, обладающую спадающей частотной характеристикой, на входы мостового фазового модулятора (VT3). В схеме фазового модулятора имеется парафазный каскад на транзисторе VT3, вырабатывающий равные по амплитуде, но противоположные по фазе выходные напряжения на нагрузках R12, R13. В плечи моста включены резистор R17 и управляемая цепочка VD3, L3. Колебание высокой частоты на входе буферного каскада (VT4) формируется в результате суммирования выходных напряжений парафазного каскада с учетом дополнительного регулируемого сдвига фазы в плече VD3, L3 и оказывается модулируемым по частоте.

На транзисторе VT5 выполнен автогенератор по емкостной трехточечной схеме. В коллектор транзистора VT5 включены индуктивность L4 и реактивный транзистор VT7, эквивалентный управляемой емкости. Управление емкостью реактивного транзистора осуществляется модулирующим напряжением , изменяющим смещение на затворе VT7, а следовательно, и крутизну транзистора. Напряжение высокой частоты на затвор транзистора поступает через буферный каскад VT6 и снимается с фазосдвигающей цепочки R21, L5.

Частота колебаний, генерируемых автогенератором – возбудителем, измеряется электронносчетным частотомером. Для измерения девиации частоты используется измеритель модуляции СК3-45. Модулирующее колебание низкой частоты вырабатывается генератором Г3-109.

Порядок выполнения работы.

1.Изучить принципиальную схему установки, состав и назначение измерительных приборов, органов управления и настройки макета.

Включить сетевое питание макета и измерительных приборов. Тумблер «Модуляция» макета перевести в нижнее положение.

2.Снять статистические модуляционные характеристики частотного модулятора на варикапах и частотного модулятора со стабилизацией центральной частоты, для этого:

• переключатель S1 установить в положение «1» («ЧМ на варикапах»);

• устанавливая потенциометром «Регулировка смещения» напряжение E₀ на варикапах в пределах 4..28 В, регистрировать значения частоты колебаний возбудителя по частотомеру. Показания занести в табл. 1;

• переключатель S1 перевести в положение «2» («ЧМ с кварцем»), повторить измерения согласно методике, изложенной в предыдущем пункте; показания, считанные с точностью до единиц Гц, занести в табл. 1.

Таблица 1

Статистические модуляционные характеристики

, В	4	8	12	16	20	24	28
, кГц
, кГц
, кГц
, кГц

При оформлении отчета по работе внести в табл. 1 расчетные величины , где - начальное значение частоты колебаний при Построить графики зависимостей для двух исследуемых схем частотных модуляторов, используя логарифмический масштаб по оси .