Контрольные вопросы

1. Какие процессы происходят в схеме диодного детектора амплитудно-модулированных сигналов?

2. Для каких сигналов (сильных или слабых) используется диодный детектор? Почему?

3. Чем отличается анодный детектор AM сигнала от обычного однополупериодного выпрямителя переменного тока?

4. Каков спектральный состав тока в детекторе для сильного сигнала (линейное детектирование)?

5. Каков спектральный состав тока в диодном детекторе для слабого сигнала (квадратичное детектирование)?

6. Как следует выбирать нагрузку детектора, чтобы искажения сигналов были минимальными?

7. Какова частотная характеристика нагрузки детектора?

8. Какой диод лучше использовать для детектирования: с большой или малой междуэлектродной емкостью? Почему?

9. Как выбирают емкость конденсатора фильтра детектора?

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Таблицы наблюдений, результаты расчётов и графики.

3. Краткие ответы на контрольные вопросы.

4. Краткие выводы.

Лабораторная работа 8 Изучение нелинейных процессов. Амплитудная модуляция, преобразование и умножение частоты

Цель работы: Изучение процессов амплитудной модуляции, преобразования и умножения частоты в нелинейной цепи, содержащей полупроводниковый диод.

Оборудование: 1. Лабораторный макет.

2. Генератор высокой частоты Г4-18.

3. Звуковой генератор Г3-33 – 2 шт.

4. Электронный осциллограф С1-65.

5. Соединительные провода.

Рекомендательный библиографический список: [1], Гл.12: §§ 12.1, 12.2, 12.4; [4], Гл.1: §§ 1.3, 1.4; [5], Гл.7: §§ 7.1–7.7.

Амплитудная модуляция, преобразование и умножение частоты являются нелинейными процессами. В идеальных линейных цепях спектр выходного напряжения в точности соответствует спектру входного напряжения. Спектр выходного напряжения в нелинейных цепях резко отличается от спектра входного напряжения – происходит трансформация спектра, которая необходима для решения задач, рассматриваемых в лабораторной работе.

Большинство нелинейных радиотехнических устройств состоит из нелинейного элемента и фильтра. В качестве нелинейного элемента могут быть использованы приборы, обладающие односторонней проводимостью, например, полупроводниковые диоды, вольт-амперная характеристика которых нелинейна. Вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики ток, текущий через нелинейный элемент, имеет спектральный состав, обогащенный новыми гармониками по сравнению со спектром подводимого сигнала.

В таких устройствах входной сигнал непосредственно воздействует на нелинейный элемент, в результате чего оказывается, что ток нелинейного элемента содержит широкий спектр частот, среди которых имеются спектральные составляющие, полезные для данного нелинейного преобразования. В зависимости от поставленной задачи на вход схемы подается то или иное напряжение, а нужная спектральная составляющая выделяется с помощью фильтра, включенного на выходе нелинейного устройства. Меняя входные сигналы, используя различные нелинейные элементы и фильтры, можно осуществить нужную трансформацию спектра и создать схемы выпрямителей, умножителей частоты, модуляторов, детекторов, автогенераторов, преобразователей частоты.

В нелинейных радиотехнических устройствах наибольшее применение нашли нелинейные резисторы, в качестве которых используются электронные и полупроводниковые приборы, работающие в нелинейном режиме.

В данной лабораторной работе рассматриваются такие нелинейные процессы, как амплитудная модуляция, преобразование и умножение частоты, которые осуществляются в амплитудном модуляторе, преобразователе и умножителе частоты.

Радиосвязь осуществляется излучением в эфир и последующим приемом высокочастотной электромагнитной энергии. Для передачи информации высокочастотный сигнал модулируют, изменяя один из его параметров в соответствии с сигналом информации (звук, изображение и др.).

Существует три вида модуляции: амплитудная, частотная и фазовая. При амплитудной модуляции (АМ) изменяется амплитуда высокочастотного сигнала, при частотной (ЧМ) – его частота, при фазовой (ФМ) – фаза.

В данной работе рассматривается только процесс амплитудной модуляции. Процесс АМ осуществляется в амплитудном модуляторе. Амплитудным модулятором называется устройство, в котором происходит изменение амплитуды высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения. На входе амплитудного модулятора действуют два напряжения: высокочастотное u_ω=U_нsinω_нtи низкочастотное (в простейшем случае тональной модуляции гармоническое)u_Ω=U_ΩsinΩt. На выходе модулятора должно быть высокочастотное напряжение, модулированное по амплитуде:

u = U_н(l+msinΩt)sinω_нt.

Степень изменения амплитуды высокочастотного колебания определяется коэффициентом модуляции m, который можно вычислить по формуле:

m = 100%(U_max – U_min)/(U_max + U_min),

где: U_max– максимальное, аU_min – минимальное напряжения АМ-сигнала.

При отсутствии модуляции эти напряжения равны и m= 0. При максимально возможной модуляцииU_min = 0 иm = 100%. При модуляции сm> 100% происходит перемодуляция, искажающая форму сигнала, содержащего информацию. Обычно используется коэффициентm= 30%.

Спектральный состав АМ сигнала сложен. Так, даже в случае простейшей тональной модуляции спектр АМ сигнала содержит три составляющие: несущую с частотой ω_ни две боковые с частотами:(ω_н + Ω)и(ω_н – Ω), которые называются верхняя и нижняя боковые составляющие, соответственно. Выделить эти три составляющие в амплитудном модуляторе можно с помощью любого пассивного четырехполюсника, полоса пропускания которого соответствует спектру амплитудно-модулирован­ного колебания. Им, в частности, может быть одиночный колебательный контур или система связанных контуров, настроенных на несущую частотуω_нс полосой пропускания не менее 2Ωпо уровню 0,7, а при модуляции сигналом сложного спектрального состава – 2Ω_max.

Преобразование частоты состоит в переносе спектра принимаемого сигнала из одной части диапазона радиоволн в другую без изменения вида и характера модуляции. Этот процесс используется, в частности, в супергетеродинных приемниках и осуществляется в преобразователе частоты (смесителе). На входы преобразователя частоты (смесителя) поступают принятый модулированный сигнал с частотой ω_с = ω_н и сигнал вспомогательного генератора, называемого гетеродином, с частотойω_г. Спектр колебания на выходе преобразователя частоты должен быть таким же, как и на входе, но с новой несущей частотой. При перестройке приемника частотыω_с иω_гизменяются так, что их разностьω_г – ω_с остается постоянной в любой точке диапазона принимаемых радиоприемником сигналов. Таким образом, для каждого принимаемого сигнала вырабатывается сигнал гетеродина, отличающийся от частоты принятого сигнала на постоянное значениеω_пч, называемое промежуточной частотой.

Такую трансформацию спектра осуществляют с помощью нелинейных элементов, называемых смесительными. В качестве смесительных элементов можно применять любые активные элементы. Такими активными элементами могут быть биполярные и полевые транзисторы и специальные полупроводниковые (смесительные) диоды. Кроме смесительных элементов в схему преобразователя частоты входят фильтр и специальный маломощный генератор гармонических колебаний гетеродин.

В общем случае промежуточной частотой может быть как частота ω_пч = ω_г  ω_с,так и частотаω_пч = ω_г + ω_с. При преобразовании частоты, как правило, происходит понижение несущей частоты и в качестве промежуточной частоты выбирают разностную частоту.

Для преобразователя частоты существуют специфические помехи – помехи по зеркальному каналу. Если на входе смесителя, кроме полезного сигнала с частотой ω_с, действует сигнал помехи с частотойω_с + 2ω_пч=

= ω_пом– сигнал, расположенный зеркально по отношению к сигналу гетеродина, то такая помеха создает на выходе смесителя напряжение промежуточной частоты, которое будет выделяться так же, как и полезный сигнал, создавая помехи на выходе смесителя.

Умножителем частоты называется устройство, на вход которого подается напряжение с частотой ω,а на выходе получается напряжение с частотойnω, гдеnцелое положительное число. Так как в умножителе частоты происходит трансформация спектра, то и он является нелинейным устройством, и для его создания необходимо использовать нелинейный режим работы активного элемента (транзистора или полупроводникового диода). При этом в спектре тока нелинейного элемента будут содержаться высшие гармонические составляющие (вторая, третья, четвёртая и т.д.), которые можно выделить соответствующим фильтром. Сигналы с частотамиnωназываются гармониками. Теоретическиnможет принимать любые целочисленные значения, однако в реальных умножителях частоты максимальное значениеnоказывается ограниченным, и в реальных схемах коэффициент умножения не превышает четырех.