Korrel_usil

ГосУДАРСТВЕННЫЙ комитет российской федерации

по высшему образованию

ДальневостоЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Исследование коррелЯционного усилителЯ

Методические указания к лабораторной работе

Владивосток 1995

ÓÄÊ 621.396

Приводятся блок-схема макета и дается краткое теоретическое обоснование возможности борьбы с собствен-ными шумами в усилителях при их построении по корреляционной схеме. Даются соответствующее задание и методические указания по его выполнению.

Методические указания рассчитаны на студентов физического факультета, изучающих дисциплину "Радиотехни-ческие цепи и сигналы". Могут быть полезны студентам естественных факультетов изучающих курс электроники.

Составитель А.С.Абрамов

Печатается по решению учебно-методического

Совета ДВГУ

© Издательство Дальневосточного университета, 1995

Краткие теоретические сведения

Собственные шумы усилителей, как известно, ограни-чивают возможности обнаружения слабых сигналов. Однако, как показано в [1] построение усилительного тракта по так называемой корреляционной схеме позволяет в значительной степени избавиться от этих шумов. Изучению этого вопроса и посвящена данная работа.

Структура корреляционного усилителя (ÊÓ)(рис.1) - двухканальная в усилительной части, далее одноканальная. Корреляционный усилитель содержит два обычных линейных усилителя Ó1 è Ó2 с регулируемым коэффициентом усиления, перемножитель напряжений Ï, интегратор È и выходной измерительный прибор ÈÏ. Кроме того имеется ряд вспомога-тельных блоков и устройств, предназначенных для более пол-ного исследования ÊÓ таких, как генераторы шума ÃØ1 è ÃØ2, фазорасщепительный блок ^j, сигнальные гнезда Ã1¸Ã7 и ключи Ê1¸Ê6.

ﾵ ﾧ

Чтобы убедиться в справедливости вышеизложенных утверждений, проследим пути преобразования входного сиг-нала и шумов в ÊÓ. Предположим, что входы обоих усилителей разомкнуты и на них поступают полезные сигналы U₁ è U₂. На эти же входы поступают приведенные собственные шумы усилителей U_ø1 è U_ø2, соответственно. Таким образом на входах усилителей Ó1 è Ó2 будут действовать напряжения:

U₃ = U₁ + U_ø1,

U₄ = U₂ + U_ø2. (1)

Обозначив через Ê₁ è Ê₂ коэффициенты усиления усилителей Ó1 è Ó2, соответственно, на выходах последних будем иметь:

U₅ = Ê₁ ( U₁ + U_ø1 ),

U₆ = Ê₁ ( U₂ + U_ø2 ) . (2)

Эти напряжения поступают на входы перемножающего устройства. Выходной сигнал блока Ï будет иметь вид

U₇ = Ê₁ Ê₂ ( U₁ U₂ + U₁U_ø2 + U₂U_ø1 + U_ø1U_ø2 ) . (3)

После прохождения этого сигнала через усредняющее устройство (интегратор) все слагаемые в (3) кроме первого (при условии, конечно, что U₁ è U₂ - это один и тот же полезный сигнал) обратятся в нуль, т.к. взаимокорреляцион-ные функции независимых процессов, к числу которых отно-сятся U_ø1,U_ø2 и их произведение с U₁ è U₂, равны нулю.[2]

Часто входы подобных усилителей объединяют, когда источ-ник сигналов один, и в этом случае U₁ º U₂, так что инди-катор выхода дает отклонение, пропорциональное Ê₁Ê₂ﾵ ﾧ. Но бывает, что вход каждого усилителя подключен к своему источнику сигнала, например при радиоприеме на разнесенные антенны. Но в этом случае все вышесказанное остается справедливым, т.к. принимаемые сигналы могут быть разной амплитуды, иметь сдвиг фаз, но спектр их идентичен, если принимается сигнал от одного источника, следовательно и взаимокорреляционная функция будет ненулевой. Рассмотренный выше способ регистрации сигнала, замаскированного шумами, обладает тем недостатком, что в выходной сигнал

U₈ = Ê₁Ê₂ﾵ ﾧ (4)

входят характеристики тракта Ê₁,Ê₂ (строго говоря, входит также коэффициент передачи перемножающего устройства и др.), а так как они обладают нестабильностью, то подобные усилители время от времени необходимо калибровать по эталонному сигналу. Поскольку процессы измерения и калибровки разнесены во времени и учитывая непрерывность дрейфа параметров тракта ÊÓ, высокой точности при такой схеме добиться трудно. Гораздо проще совместить процесс измерения сигнала и калибровки. Для этого калибровочный сигнал необходимо ввести в оба линейных усилителя, но в противофазе. Он претерпит тот же цикл преобразований, что и полезный сигнал и поступит на вход индикатора ÈÏ в таком же как (4) виде, но со знаком минус и вызовет отклонение стрелки индикатора в сторону, противоположную отклонению от полезного сигнала. Если уровень калибровоч-ного и полезного сигналов равны, то индикатор установится на нуль, и если эти уровни не меняются, а меняется коэффи-циент передачи тракта ÊÓ, это сказывается одинаковым образом на передаче полезного и калибровочного сигналов и баланс ÈÏ не нарушается. Таким образом мерой полезного сигнала будет служить уровень калибровочного сигнала, а ошибки от нестабильностей тракта исключаются.

Описание макета.

Состав корреляционного усилителя был указан выше, поэтому более детально укажем назначение его компонентов. Генераторы шума ÃØ1 è ÃØ2 необходимы, чтобы маскировать полезные входные сигналы на макроскопическом уровне, т.к. работать на микроуровнях сигналов в условиях учебной лаборатории весьма сложно. Фазовращатель ^j обеспечивает подачу двух противофазных компенсирующих сигналов с калибровочного входа Ã3 на усилители Ó1 è Ó2. Ключи Ê1¸Ê6 позволяют производить необходимую коммутацию блоков, а гнезда Ã1¸Ã7 необходимы для подачи и наблюдения сигналов в различных точках схемы.

Задание

I. Исследование блоков корреляционного усилителя (ÊÓ).

1. Снять частотную и амплитудную характеристики одного из линейных усилителей Ó1 èëè Ó2 при разомкнутых (Ê1¸Ê3,Ê6) и замкнутых (Ê4,Ê5) ключах и среднем усилении. Выходной сигнал снимать с гнезда Ã1 èëè Ã7.

2. Для исследования перемножающего устройства ключи Ê4¸Ê6 разомкнуть, ко входам Ï (гнезда Ã4,Ã5) подключить два генератора (их частоты должны отличаться на порядок или более, но при этом лежать в пределах вышеизмерен-ной полосы пропускания линейного усилителя) с нап-ряжением 100¸200 ìÂ. К гнезду Ã6 подключить осцилло-граф с закрытым входом и обратить внимание на форму контролируемого напряжения. На экране должна быть неискаженная осциллограмма балансно-модулированного напряжения. Если будет наблюдаться ограничение несу-щей (заполнения) или огибающей, то немного уменьшить выходной уровень соответствующего генератора. Вид осциллограммы зарисовать, а при наличии анализатора спектра исследовать спектр этого сигнала.

3. Снять амплитудные характеристики перемножителя при условиях п.2. поочередно изменяя напряжение каждого из входов при фиксированном напряжении на другом входе (50¸100 ìÂ). Уровень выходного сигнала при этом измерять по размаху осциллограммы или квадратичным вольтметром. Измерения прекращать при появлении искажений.

4. Снять амплитудную характеристику перемножителя в квадратичном режиме, т.е. когда входы перемножителя объединены (ключ Ê6 замкнут). Измерение проводить с одним генератором (второй отключить). Выходной сигнал регистрировать встроенным стрелочным измерительным прибором ÈÏ (на двух пределах: 1/1 и 1/10). Постоянную времени интегратора выбрать при этом минимальной. Построение результатов измерений жела-тельно проводить на диаграммной бумаге с полулогариф-мическим масштабом.

II. Выделение слабого сигнала из сигнально-шумовой смеси и оценка его величины.

1. Прямая оценка сигнала, замаскированного шумами.

Ключи Ê1¸Ê5 замкнуть, а Ê6 - разомкнуть. Усиление обоих линейных усилителей Ó1 è Ó2 поставить в среднее поло-жение, а ко входу Ã1 èëè Ã2 подключить генератор гармонического сигнала с частотой, лежащей в полосе пропускания усилителей. К гнезду Ã4 èëè Ã5 подключить осциллограф, а постоянную времени интегратора устано-вить средней. Уровень входного сигнала выбрать таким, чтобы на осциллограмме (на Ã4 èëè Ã5) он почти пол-ностью маскировался шумами ÃØ1 è ÃØ2. Если отклонение выходного индикатора ÈÏ (1/1) слишком мало, то одновременным увеличением усиления Ó1 è Ó2 добиться нормальных ( ³1/3 шкалы, но <1 ) показаний ÈÏ, а если последний зашкаливает, то уменьшить входной сигнал. Уровень зарегистрированного входного сигнала записать. Проследить, как меняется характер показаний индика-тора при изменении постоянной времени интегратора. Промоделировать влияние нестабильности усиления одного из усилителей (измените, к примеру, его усиление в два раза) на показание ÈÏ. Результаты экспериментов записать и объяснить.

2. Оценка сигнала, замаскированного шумами компенсацион-ным способом.

При условиях п.1. и средних показаниях ÈÏ(1/1) ко входу Ã3 подключить генератор сигнала калибровки с частотой в пределах полосы пропускания Ó1 è Ó2. Подобрать уровень этого сигнала таким, чтобы показа-ние ÈÏ обратилось в ноль. Аналогично п.1. промодели-ровать влияние нестабильности тракта усилителя на отклик ÈÏ. Сравнить результат эксперимента с аналогичным в п.1.

Контрольные вопросы.

1. Можно ли полностью избавиться от влияния собственных шумов усилителя рассмотренным методом ?

2. Чем отличается "прямой" и компенсационный способ регистрации сигналов в корреляционном усилителе ?

3. Как могут повлиять на точностные характеристики ÊÓ выход параметров ( частота, амплитуда ) сигналов ( и шумов) за пределы рабочих областей амплитудных и частотных характеристик всего тракта ?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Харкевич А.А. Избранные труды. т.3.М.:Наука,1973

2. Левин Б.Р. "Теоретические основы статистической радиотехники".М.:Советское радио. 1966

Александр Семенович Абрамов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Исследование корреляционного усилителя

Редактор Л.И.Александрова

Техн.редактор И.В.Гончарова

Подписано в печать 2.02.95. Формат 60x84 ¹/₁₆.Бумага офсет-ная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0.5. Уч.-изд.л.0.52.

Тираж 50 экз.

__________________________________________________________

Отпечатано на кафедре общей физики Дальневосточного государственного университета

690000 г.Владивосток, ул. Суханова, 8.