mx_metoda_laby

Д1

Тр1			Тр2

uω

UΩ

Д2

RH; iH

Рис. 1.6. Схема балансного преобразователя частоты

Фазовые соотношения в схеме таковы, что на выходе отсутствует ряд составляющих, в том числе несущая, ее гармоники и четные гармоники составляющей сигнала.

Выходной ток содержит составляющие с частотами

mω ± (2n+1)Ω

(1.6)

при значениях m и n, равных 0, 1, 2, . . .

Спектрограмма выходного тока показана на рис. 1.7. Эта же схема может быть использована в режиме баланса относительно сигнала, для чего достаточно поменять местами точки подключения сигнала и несущей. В этом случае на выходе будут отсутствовать составляющие сигнала и ее гармоники.

0 Ω 3Ω

ω-3Ω

ω-Ω

ω

ω+Ω

ω+3Ω

2ω-3Ω

2ω-Ω

2ω

2ω+Ω

2ω+3Ω

3ω-3Ω

3ω-Ω

3ω

3ω+Ω

ω

3ω+3Ω

Рис. 1.7. Спектрограмма тока балансного преобразователя

Балансный преобразователь позволяет легко выделить полезные составляющие боковых частот, так как отсутствуют составляющие, близко расположенные около них: ω, ω ± 2Ω и др. Ток сигнала не протекает по цепи генератора несущей, что позволяет использовать общий генератор. Недостатком этого преобразователя является зависимость затухания от величины напряжения несущей и необходимость обеспечения точной симметрии схемы, а также наличие составляющей ω ± 3Ω на выходе.

10

Еще более совершенным является двойной балансный преобразователь частоты, часто называемый кольцевым. Этот преобразователь (рис. 1.8) представляет комбинацию двух балансных преобразователей с общими трансформаторами. Диоды Д1 и Д2 входят в первый балансный преобразователь, а Д3 и Д4 – во второй. Токи обоих преобразователей создают суммарный поток в Тр2, который и определяет выходное напряжение и ток.

Д1

Тр1			Тр2

Д3

UΩ

Д4

RH; iH

Д2

Рис. 1.8. Схема двойного балансного (кольцевого) преобразователя частоты

Фазовые соотношения составляющих тока в полуобмотках таковы, что на выходе отсутствуют несущая и ее гармоники, сигнал и его четные гармоники. Выходной ток кольцевого преобразователя содержит составляющие, определяемые выражением

(2m+1)ω ± (2n+1)Ω,

(1.7)

где m и n могут принимать значения 0, 1, 2, …

Спектрограмма тока дана на рис. 1.9.

0 Ω	3Ω	ω
ω-		ω- Ω

ω+ Ω ω+3 Ω

2ω

3ω-3Ω

3ω-Ω

3ω

3ω+Ω

ω

3ω+3 Ω

Рис. 1.9. Спектрограмма тока двойного балансного преобразователя

Общий недостаток всех преобразователей на основе нелинейных цепей – зависимость затухания от амплитуды несущей присущ и этому преобразователю.

11

1.2. Экспериментальная часть

1.2.1. Исследование простого балансного и кольцевого преобразователей частоты

1.Изучить лабораторную установку по схеме рис. 1.10 и ознакомиться с измерительной аппаратурой.

2.Собрать путем установки перемычек на макете схему простого преобразователя (см. рис. 1.5). Включить на вход в качестве сигнала генератор с частотой F = 1000 Гц и уровнем рF = –0,5 Нп. Подать напряжение несущей с частотой f = 10000 Гц и уровнем рf = 0,0 Нп. Подключив к выходу преобразователя осциллограф, наблюдать формы выходного напряжения. В одном масштабе времени зарисовать три графика один под другим: напряжение сигнала, несущей и выходное напряжение.

		Д1		Спектральный
	Тр1		Тр2	указатель уровня
	R=600	Д4

	Д3
Генератор	Д2
сигнала

		у
	Генератор	Осциллограф
	несущей

Рис. 1.10. Схема лабораторной установки исследования преобразователей частоты

3. Исследовать спектральный состав выходного напряжения, измерив спектральным указателем уровня следующие составляющие:

F, 2F, 3F, f, (f ± F), (f ± 2F), (f ± 3f).

Результаты измерений уровней составляющих записать в таблицу и изобразить в виде спектрограммы.

4.Собрать схему балансного преобразователя частоты (см. рис. 1.6) и проделать наблюдения и измерения аналогично пунктам 2 и 3.

5.Собрать схему кольцевого преобразователя (см. рис. 1.8) и проделать наблюдения и измерения аналогично пунктам2 и 3. Уменьшить уровень генера-

12

тора несущей до pf = –0,5 Нп, что соответствует нелинейному режиму работы преобразователя, и повторить измерения.

6. Провести анализ результатов измерений полезных составляющих на выходе трех схем преобразователей, сравнить преобразователи по затуханию. Вычислить затухание нелинейности для всех случаев измерений по формуле

aн = рf + F – pf + 3F

(1.8)

Полученные результаты сравнить и сделать выводы о качестве преобразователей.

1.3.Контрольные вопросы

1.Полезные составляющие на выходе преобразователя частоты.

2. В чем заключается преимущество балансного преобразователя над простейшим преобразователем?

3.Недостатки балансного преобразователя.

4.Чем отличаются спектральные составы выходного сигнала простого, балансного и двойного балансного преобразователя?

13

2. Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОРАЗНОСТНОЙ МОДУЛЯЦИИ

2.1.Теоретическая часть

Фазоразностная или однополосная модуляция позволяет осуществлять преобразование исходного сигнала в однополосный сигнал, то есть получить одну из боковых полос без применения фильтров для подавления другой боковой полосы. На рис. 2.1 показана схема такого модулятора. Схема состоит из развя-

зывающих устройств РУ и РУ , осуществляющих разветвление входного тока

1 2

на две ветви и объединение (сложение) токов ветвей i1 и i2 в общий ток выхода i; кольцевых преобразователей частоты – КП1 и КП2, фазовращателя несущей

ФВН, который осуществляет сдвиг фазы несущей uω на	π	для питания КП2, фа-
2

зовращателя сигнала ФВС, который осуществляет сдвиг фазы всех составляю-

щих спектра сигнала на угол π во второй ветви схемы. 2

КП1

i1

Uω

i=i1+i2

Ω

РУ1

ФВН

РУ2

Ω

ФВС

i2

КП2

Рис. 2.1. Схема фазоразностного модулятора

Сдвиг фазы несущей и всех составляющих сигнала на уголπ приводит к

2

тому, что начальные фазы составляющих верхней боковой полосы на выходе второй ветви оказываются сдвинутыми на угол π по отношению к составляющим верхней боковой первой ветви. Это обуславливает отсутствие составляющих верхней боковой. Начальные фазы составляющих нижней боковой на выходе второй ветви совпадают по фазе с составляющими первой ветви и поэтому

14

после сложения в РУ ток нижней боковой на выходе будет иметь удвоенное

2

значение. Таким образом, схема обеспечивает формирование однополосного сигнала без применения фильтров.

На рис. 2.2 представлены векторные диаграммы токов на выходе ветвей (2.2, а) и на выходе развязывающего устройства (2.2, б) для случая, когда на вход

схемы	подается	гармоническое	u = U	W	cosWt	и	несущая
			колебаниеW

uω = Uω cos ωt .

π

2

π

2

а

б

Рис. 2.2. Векторные диаграммы токов:

а – на выходе ветвей; б – на выходе развязывающего устройства

Как видно из диаграммы 2.2, а, векторы токов верхней боковойI1ВБ и I2ВБ первой и второй ветвей будут сдвинуты точно на угол , πесли uW и uw сдвига-

ются по фазе в соответствующих фазовращателях на π . После сложения в РУ2

2

эти токи полностью уничтожаются только при равенстве их амплитуд.

Наиболее сложной задачей является точный сдвиг на уголπ всех состав-

2

ляющих сигнала. Фазовращатель ФВС должен быть широкополосным и иметь постоянный сдвиг во всем диапазоне спектра сигнала. Значительно легче соз-

15

π

дать фазовращатель с постоянным фазовым сдвигом на меньший угол . По-

4

этому в практических схемах осуществляют сдвиг на угол + π в одной из ветвей

		π			π	4
	и на угол –		–	в другой, что равносильно сдвигу на угол		только в одной вет-
	4			2

ви. Для подавления нижней боковой достаточно переключить один из фазовращателей в другую ветвь схемы рис. 2.1.

Зависимость подавления устраняемой боковой можно оценить ослаблением по отношению к выделяемой боковой, в зависимости от точности фазирования и точности симметрирования токов боковых на выходах ветвей. При равенстве токов боковых на выходах ветвей затухание устраняемой боковой определяется приближенной формулой

а = ln

IНБ

= ln

2

,

(2.1)

Dj c

1

IВБ

где Djс

– отклонение разности фаз между напряжениями на входах М1 и М2 от

значения

π

.

2

При

Djс = 0 затухание подавляемой

боковой может

быть определено по

формуле

а2

1 + A

= ln

,

(2.2)

1 - A

где A = I1ВБ и представляет асимметрию токов боковых на выходе ветвей.

I2ВБ

Применение фазоразностной модуляции целесообразно в тех случаях, когда формирование однополосного сигнала при помощи полосовых фильтровза труднительно и невозможно. Такое положение возникает в двух случаях: при преобразовании сигнала в очень высокий диапазон частот и при сигналах с нижней частотой спектра, равной нулю или близкой к нему. В последнем случае верхняя и нижняя боковая имеют малое отличие по частоте, что затрудняет их разделение полосовыми фильтрами (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Преобразование спектра сигнала с нижней нулевой частотой

16

2.2.Экспериментальная часть

Порядок выполнения работы:

1. Изучить схему (рис. 2.4) и конструкцию макета, подключить измерительные приборы.

Вх.1	М1	Вых.1	U1/1
R2

			jН = 400
Рс= +1,0 Нп		в	ФВН
Вх.С.	РУ-1	к	jН	РУ-2
F= 1,0 кГц		н		Рн= +1,0Нп
				Вх.Н.
				Fн= 1,0 кГц
			jН = 00
	ФВС
		Вх.2	М2	Вых.2
	90	96		U1/2
	91	95
	92	9394

Рис. 2.4. Схема лабораторной установки исследования фазоразностной модуляции

2. Установить частоту сигнала Fc = 1,0 кГц и уровень рс = +1,0 Нп, частоту несущей fН = 10,0 кГц и рН = +1,0 Нп.

3. Произвести фазирование сигналов и симметрирование токов боковых на выходе ветвей, для чего ключ К поставить в положение В(подавление верхней боковой), настроить селективный указатель уровня на измерение верхней боковой (11 кГц) и добиться минимального значения этой боковой путем регулирования фазового сдвига несущей (ручка jн) и симметрирования токов(ручка

R2). При выполнении этого пункта фазовращатель ФВС должен давать сдвиг π ,

2

что достигается установкой ручки jс в положении 90о. Подавление верхней боковой необходимо довести до значения

рВБ ≤ – 9,0 Нп на выходе схемы.

4. Измерить уровень подавляемой верхней и выделяемой нижней боковой; вычислить затухание подавляемой боковой по формуле

а1 = РНБ - РВБ .

(2.3)

Величина этого затухания должна быть не менее 6 Нп.

17

5. Снять осциллограммы напряжений на выходе схемы при отключенной первой ветви (снять перемычку П1), при отключенной второй и подключенных обеих ветвях. Изобразить в одном масштабе времени графики осциллограмм (один под другим) и увязать их с графиками напряжения сигнала и несущей в ветвях схемы. При изображении графиков учесть фазовые сдвиги напряжений.

6. Снять зависимость подавления верхней боковой и измерить ее зависимость фазирования jс. Для этого настроить селективный указатель на измере-

ние верхней боковой и измерить ее уровень Р при сдвиге фазы сигнала во

ВБ

второй ветви на уголjс = 90, 91, 92, 94, 96 и 98о. Результаты записать в табл. 2.1. При этих же сдвигах jс измерить уровни выделяемой боковой РНБ и занести в таблицу. Вычислить затухание подавляемой боковой по измеренным уровням. Вычислить затухание по формуле(2.1) и сравнить с данными эксперимента. Построить графики этих затуханий на общих осях.

Таблица 2.1

Зависимость уровней боковых от фазовых соотношений токов ветвей модулятора

jс	Djс = jс – 90		Экспериментальные данные			Расчетные зна-
		РНБ		РВБ	а1 = РНБ – РВБ	чения а1 по фор-
						муле (2.1)
90о
91о
92о
94о
96о
98о

7. Поставить ключ в положение Н(подавление нижней боковой). Произвести фазирование и симметрирование, аналогично пункту в. Измерить уровни нижней и верхней боковых. Вычислить затухание подавляемой боковой по формуле:

А1 = РВБ – РНБ .

(2.4)

8. Исследовать зависимость подавления боковой от симметрии токов в ветвях схемы. Настроив схему на максимум подавления верхней боковой(пункт 3), измерить уровни РНБ и РВБ на выходе схемы. Нарушить симметрию амплитуд токов в ветвях регулятором R2 так, чтобы уровень верхней боковой, поступающей из первой ветви(вторая ветвь отключена), отличался от уровня верхней боковой второй ветви (первая ветвь отключена) на величину Р = 0,05 Нп. Та-

18

кая разница уровней соответствует асимметрии токовА = I1ВБ =1,05 , так как

I2ВБ

ln A = ln I1ВБ - ln I2ВБ = Р1ВБ - Р2ВБ = DР , а ln 1,05 = 0,05.

Включить обе ветви, измерить при А = 1,05 уровни РВБ и РНБ на выходе схемы, вычислить затухание верхней боковой

А2 = РНБ – РВБ

(2.5)

и сравнить результат с расчетом по формуле (2.2).

Содержание отчета

1. Схема макета.

2.Осци ллограммы напряжений.

3.Таблица с результатами измерений и расчетов.

4.Выводы по результатам исследований.

2.3.Контрольные вопросы

1.Сущность фазоразностного метода формирования одной боковой полосы.

2.Почему фазовращатель несущей значительно проще фазовращателя сиг-

нала?

3.В каких случаях фазоразностная модуляция наиболее целесообразна?

4.Какие требования необходимо выполнять при реализации фазоразностной модуляции?

19