Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

Белгородский государственный университет

Кафедра телекоммуникаций

Белов С.П.

Ищенко В.И.

Пеньков Е.П.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ лабораторных РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Теория электрической связи»

для студентов специальности

21.04.06 «Сети связи и системы коммутации»

Белгород 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1. Введение ……………………………………………………………3

2. Краткое описание лабораторного стенда…………………………4

3. Измерительные приборы и способы измерений, применяемые

при проведении лабораторных работ на установках по ТЭС 7

4. Назначение органов управления осциллографа типа GO3-620….9

5. Инструкция по использованию программного пакета «Теория электрической связи» (ТЭС)………………………………………14

6. Лабораторная работа №1. Усиление сигналов………………….18

7. Лабораторная работа №2. Исследование LC- генератора……...27

8. Лабораторная работа №3. Преобразование частоты……………34

9. Лабораторная работа №4. Умножение частоты…………………40

10. Лабораторная работа №5. Амплитудная модуляция…………….45

11. Лабораторная работа №6. Детектирование АМ- колебаний……51

12. Лабораторная работа №7. Исследование частотного модулятора………………………………………………………….56

13. Лабораторная работа №8. Исследование детектораЧМ сигналов…………………………………………………………….63

14. Лабораторная работа №9. Дискретизация непрерывных

сигналов по времени (теорема Котельникова)…………………..69

15. Лабораторная работа №10. Исследование спектров сигналов. Характеристики электрических сигналов электросвязи………...80

16. Лабораторная работа №11. Преобразование формы и спектра сигналов безинерционным нелинейным элементом…………….85

17. Лабораторная работа №12. Цифровая система связи…………...91

18. Приложение 1………………………………………………………95

19. Литература……………………………………………………… 103

Введение.

Методические рекомендации к лабораторным работам по дисциплине «Теория электрической связи» составлена в соответствии с действующей программой.

Экспериментальные исследования в работах представленного цикла позволяют наблюдать процессы формирования и обработки различных классов сигналов, а также измерять на практике их параметры.

Проведение исследований в лабораторных работах дает большой эффект только в том случае, когда соответствующие электрические устройства и происходящие в них процессы изучены теоретически. Поэтому в методических рекомендациях к каждой лабораторной работе приводится теоретическая часть, позволяющая более четко уяснить цель лабораторной работы и сделать выводы по результатам эксперимента. Исследованиям в лаборатории должны предшествовать самостоятельные занятия студента с конспектом лекций, учебной литературой и ознакомление с теоретической частью лабораторной работы.

Студент допускается к выполнению лабораторной работы только при условии, что он отчетливо представляет цель исследований и порядок их проведения при выполнении лабораторной работы.

Во время самостоятельной подготовки к лабораторной работе студент должен провести расчеты, которые указаны в разделе самостоятельной подготовки студентов или в контрольных вопросах.

Для допуска к выполнению очередной лабораторной работы необходимо нарисовать структурные схемы измерений, которые собираются при проведении лабораторной работы. При выполнении лабораторных работ студент должен собирать измерительные электрические схемы по заранее нарисованным схемам.

Результаты предварительной подготовки к лабораторной работе и результаты эксперимента заносятся в отчет, форма которого дается в приложении.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Рис.1. Общий вид лабораторной установки

Стенд содержит ряд функциональных узлов, моделирующих функ­циональную схему систем связи, а также все необходимые источники сигналов и измерительные приборы, а именно (слева направо):

•источники сигналов;

• блоки КОДЕР-1, АЦП и сумматор;

•сменные блоки (в середине стенда), содержащие исследуемые функциональные узлы, гнезда контрольных точек, необходимые органы управления и индикации;

•светодиодные табло переданного и принятого сообщений, ЦАП и блок контроля ошибок;

•блок индикации, в котором расположены измерительные приборы постоянного и переменного напряжений, а также движковый потенцио­метр напряжения смещения.

В блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ представлены:

•гармонические сигналы с частотами 1, 2 и 110 кГц* с регуляторами выхода (0-1,5 В);

* Точные значения этих частот зависят от номинала кварцевого резонатора, используемого в данной модификации стенда.

•амплитудный модулятор с несущей частотой 110 кГц и частотой модуляции 1 кГц. Уровень несущей и глубина модуляции (т) регулиру­ются в пределах 0-1,5 В и 0-1 соответственно;

•генератор шума (ГШ) с регулировкой выходного сигнала (квазибе­лый шум в полосе не менее 10 Гц— 100 кГц);

•импульсные сигналы тактовой (С1) и цикловой (С2) синхрониза­ции. Для С1 период Т=450 мкс (тактовый интервал). Для С2 Т_ц=17 Т. Сигналы используются для внешней синхронизации осциллографа;

•гармонические сигналы F₁ и F₂, используемые для получения дис­кретных видов модуляции; F₁=27 кГц; F₂=18 кГц;

• - сигнал « -функции» - прямоугольной формы с длительно­стью t_и=5 мкс и периодом 17 Т; амплитуда не менее 5 В;

•S₁-S₃ - сигналы сложной формы, состоящие из двух гармоник (ос­новная частота 2 кГц);

•S₄ - сигнал, состоящий из суммы первой и третьей гармоник с час­тотами 23 и 69 Гц (для исследования АЦП);

• U₁ и U₂ — регулируемые источники постоянных напряжений (в пре­делах-10 ... +10 В);

•диапазонный низкочастотный генератор; имеет плавную и ступен­чатую регулировку выходного сигнала (0-5 В). Установка частоты (в пределах 20 Гц - 160 кГц) производится по встроенному частотомеру с цифровой индикацией.

Сигналы всех источников стенда (кроме ГШ и генератора НЧ) полу­чены от одного кварцевого генератора путем деления частоты и фильтра­ции. Это существенно упрощает наблюдение изучаемых сигналов на ос­циллографе.

В блоке КОДЕР-1 производится ручное формирование любой пятисимвольной комбинации с помощью микротумблеров. Набранная комби­нация индицируется на светодиодном табло с надписью ПЕРЕДАНО. (Такое же табло, но с надписью ПРИНЯТО, расположено над обозначе­нием ДЕКОДЕР-1.)

Блок АЦП является КОДЕРОМ-1 для аналоговых сигналов. На вход 1 блока АЦП подается входной аналоговый сигнал, вход 2 («открытый вход») служит для снятия статической характеристики А-Ц преобразо­вания. Нижнее гнездо S(k t) служит для наблюдения за отсчетами пре­образуемого сигнала, причем могут быть использованы две частоты дис­кретизации F_д1=125 Гц или F_д2⁼2,3 кГц, переключаемые тумблером. Кнопочный переключатель РАЗРЯДНОСТЬ позволяет получить число разрядов АЦП 3, 4 и 5. При отжатых кнопках происходит восьмиразряд­ное кодирование.

Блок ЦАП имеет один вход и два выхода. На выходе 1 формируется ступенчатый сигнал в соответствии с выбранной в АЦП разрядностью и частотой дискретизации. На выходе 2 формируется выходной сигнал по­сле сглаживающего фильтра. Тумблер «О V τ » , расположенный ниже ЦАП, служит для компенсации задержки на τ, вносимой демодулятором. При непосредственном соединении блоков АЦП и ЦАП тумблер должен быть в положении «0» , а при включении между ними модулятора и де­модулятора — в положении «τ» .

Блок контроля ошибок предназначен для фиксации ошибок в «сис­теме связи». Сигналы ошибок с выхода этого блока подсчитываются на ПК за определенное время наблюдения, и рассчитывается оценка вероят­ности ошибки. Сигналы ошибок в символе — положительные импульсы прямоугольной формы длительностью около 200 мкс - формируются только для первых пяти символов последовательности (информацион­ных).

Длительность сигнала ошибки в «букве», т. е. в пятисимвольной ин­формационной посылке, определяется положением первого ошибочно принятого символа и моментом окончания 5-го символа.

Ниже блока контроля ошибок расположены гнезда входов ПК с по­тенциометрами, регулирующими уровень сигналов, подаваемых на ПК. Связь стенда с ПК осуществляется через экранированный кабель, закан­чивающийся разъемом, который должен быть включен на вход звуковой платы ПК.

В настоящее время стенд комплектуется пятью сменными блоками:

1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ. Блок содержит полевой транзистор с нагрузкой в цепи стока в виде резистора или колебательного LC контура. Частота резонанса контура - около 15 кГц. Блок позволяет подробно изучать такие преобразования в радио­технике, как изменение формы и спектра сигналов нелинейной безынер­ционной цепью, нелинейное резонансное усиление, умножение частоты, преобразование частоты, амплитудную модуляцию и детектирование AM сигналов.

2. ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ. Блок содержит частотный модулятор на RC генераторе с полевыми транзисторами в фазобалансной цепи и час­тотный детектор (ЧД) с симметрично расстроенными контурами. Моду­лятор ЧМ обеспечивает практически линейное изменение частоты в пре­делах 7-18 кГц. Характеристика детектирования ЧД имеет линейный участок не уже ±2 кГц относительно несущей частоты 14 кГц. Измерение частоты модулятора при снятии статической модуляционной характери­стики (СМХ) и наблюдение спектров модулированных колебаний производятся по анализатору спектра, реализованному программным методом на ПК.

Блок позволяет снять СМХ и характеристику детектирования, вы­брать оптимальные режимы модулятора и детектора, наблюдать осцилло­граммы и спектры ЧМ сигналов, прохождение сигналов через частотный модем.

3. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ СИГНАЛОВ ВО ВРЕМЕНИ (ТЕОРЕМА КОТЕЛЬНИКОВА). Блок содержит дискретизатор, переключатель фиксиро­ванных частот дискретизации (3, 6, 12, 16, 24 и 48 кГц) и три ФНЧ чет­вертого порядка на операционных усилителях. Особенностью блока яв­ляется выбор как частот сигнала, так и частот дискретизации, получен­ных от одного кварцевого генератора, что облегчает наблюдение на ос­циллографе дискретизированных сигналов.

4. АВТОГЕНЕРАТОРЫ. Блок содержит LC и RC автогенераторы с общей схемой прерывателя цепей обратной связи для изучения переход­ных процессов.

LC генератор собран на полевом транзисторе с трансформаторной обратной связью. Имеется возможность изменять знак обратной связи или вообще отключить ее. Частота генерации - фиксированная, около 20 кГц. Работает в режимах автоматического либо регулируемого сме­щения.

RC генератор собран на двухкаскадном резистивном усилителе с фазобалансной цепью. Предусмотрена возможность отключения цепи об­ратной связи, а также превращения схемы в мультивибратор. Частота ге­нерации регулируется сдвоенным потенциометром в пределах сотен Герц - единиц килогерц. Имеется ручная и автоматическая регулировка уси­ления (АРУ) К-цепи. Схема АРУ, включаемая отдельным тумблером, по­зволяет сохранить практически синусоидальную форму колебаний даже при попытке вручную изменить коэффициент усиления К-цепи.

Блок АВТОГЕНЕРАТОРЫ позволяет выполнять три лабораторные работы.

5. МОДУЛЯТОР-ДЕМОДУЛЯТОР. Блок содержит цифровой мани­пулятор, работающий в режимах AM, ЧМ, ФМ и ОФМ, «канал связи», представленный в виде сумматора с полосовым фильтром (ПФ) для по­дачи шума от ГШ, и демодулятор, собранный по схеме корреляционного приемника. Полосовой фильтр предназначен для ограничения полосы шума полосой частот, занимаемой спектром модулированных сигналов (10-35 кГц). Коэффициент передачи сумматора для сигнала - 0,5, для шума— 5.

На сменном блоке подробно раскрыта схема демодулятора: выведе­ны на контрольные точки (гнезда) напряжения опорных сигналов, выходы перемножителей, интеграторов, пороговые напряжения. Переключе­ние видов модуляции осуществляется кнопкой, расположенной около обозначения модулятора, и индицируется светодиодными индикаторами.

В блоке имеются также переключатель начальной фазы опорного колебания (ФМ и ОФМ), ручная установка порога (AM) и индикатор ошибки.

Блок позволяет изучать виды дискретной модуляции, наблюдать смесь сигнала и шума при определенном их соотношении, изучать прин­цип действия демодулятора при разных видах модуляции, измерять по­мехоустойчивость системы.

Сменные блоки крепятся к стенду четырьмя фасонными винтами; электрическое соединение осуществляется ленточными многожильными кабелями с разъемами. Разъемы имеют буквенную маркировку, состоя­щую из первых букв названия сменного блока. Замену сменных блоков следует производить только при отключенном питании стенда.

Для выполнения лабораторных работ кроме стенда предполагается использовать двулучевой (двухканальный) осциллограф и персональ­ный компьютер, к которому поставляется оригинальное программное обеспечение для выполнения ряда специальных измерительных и демон­страционных функций (двухканального анализа спектра, построения гис­тограмм, функций корреляции, вычисления оценки вероятности ошибок).

В соответствии с правилами техники безопасности корпуса стенда, осциллографа и компьютера должны быть соединены общим проводом, подключенным к общему проводу заземления лаборатории. Гнездо «┴» стенда расположено справа, на задней стенке.

Измерительные приборы и способы измерений, применяемые при проведении лабораторных работ на установках по ТЭС.

Основными измерительными прибором является осциллограф, который предназначен для визуального наблюдения формы исследуемого сигнала и измерения его параметров с помощью электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

Функциональная схема осциллографа включает: канал Y (или канал вертикального отклонения), канал Х (или канал горизонтального отклонения), калибратор чувствительности, калибратор частоты развертки, ЭЛТ, и узел питания.

ЭЛТ представляет собой электровакуумный прибор, формирующий узкий луч электронов, с помощью которого обеспечивается свечение экрана ЭЛТ. В состав трубки входят: электронный прожектор и две пары отклоняющих пластин (Х и Y). Электронный прожектор обеспечивает формирование потока электронов и его фокусировку. Отклоняющие пластины обеспечивают изменение траектории электронного луча за счет создания разности потенциалов между пластинами. В двух лучевых осциллографах используют два прожектора и две пары отклоняющих пластин. Свечение экрана ЭЛТ происходит потому, что его внутренняя поверхность покрывается люминофором. Люминофор- это вещество, которое способно светится под действием энергии потока электронов. На горизонтально отклоняющие пластины подаются импульсы пилообразной формы, вырабатываемые генератором развертки. Применение импульсов пилообразной формы позволяет обеспечить равномерное перемещение электронного луча по горизонтали.

Для изменения частоты развертки служит переключатель развертки (поз.29 на передней панели осциллографа). В канал Х входят также усилители импульсов запуска и синхронизации, а также оконечный усилитель горизонтального отклонения. Формирователь импульсов запуска вырабатывает импульсы, которыми запускается генератор напряжения развертки или синхронизируется его частота. В современных осциллографах для этой цели широко используют интеграторы, собранные на операционном усилителе, в цепь обратной связи которого включают конденсатор. Генератор развертки должен работать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах.

Регулятор чувствительности (или амплитуды) является устройством, обеспечивающим изменение уровня исследуемого сигнала (поз.9 на передней панели осциллографа).

Электронно - лучевой осциллограф позволяет измерять мгновенные значения сигналов, их временные параметры, определять частоту исследуемого сигнала, измерять фазовые сдвиги между сигналами на входе и выходе четырехполюсников, коэффициент амплитудной модуляции и т.п.

Наиболее простым и распространенным методом измерений при помощи ЭЛТ является метод масштабной сетки. Для применения этого метода на экран ЭЛТ наносится квадратная масштабная сетка. Цена деления клетки в вольтах по вертикали устанавливается регулятором чувствительности, а цена деления клетки в секундах по горизонтали устанавливается переключателем частоты развертки. Определение уровня сигнала и периода следования заключается в определении количества клеток, занимаемых сигналом и умножении числа клеток на цену деления клетки. Основным недостатком измерений методом масштабной сетки является большая погрешность измерений (до 20%).

В процессе измерений необходимо получить неподвижное изображение исследуемого сигнала. Этого добиваются в том случае, когда частота развертки будет кратна частоте исследуемого сигнала. Если на экране ЭЛТ засвечивается один период колебаний исследуемого сигнала, то это значит, что частота генератора развертки (f_разв) равна частоте сигнала (f_сигн), т.е. f_разв =f_сигн.. При f_разв=n f_сигн на экране засвечивается n периодов исследуемого сигнала. Для получения неподвижного изображения на экране ЭЛТ в схеме осциллографа предусмотрена внутренняя синхронизация частоты генератора развертки (поз.23 на передней панели осциллографа). В осциллографах предусмотрена также и внешняя синхронизация. При внешней синхронизации исследуемый сигнал подается на пластины Y и для запуска генератора развертки. В этом случае генератор развертки работает в ждущем режиме.

Осциллограф может работать как с открытым так и закрытым входом. Выбранный вход обеспечивается переключателем (поз.10,18 на передней панели осциллографа). При открытом входе на пластины Y может подаваться и постоянное и переменное напряжение. При закрытом входе на пластины Y подается только переменное напряжение. При закрытом входе исследуемый сигнал пропускается через разделительный конденсатор.

1. Назначение органов управления

ОСЦИЛОГРАФА ТИПА GOS-620.

1.1 Расположение и назначение органов управления (передняя панель).

1.2 Расположение и назначение органов управления (задняя панель).

1.1 Расположение и назначение органов управления (передняя панель).

1. CAL - Выход капибратора 2 В и частотой 1 кГц.

2. INTEN (яркость) - Регулирует яркость изображения.

3. FOCUS (фокус) - Регулировка фокуса изображения.

4. TRACE ROTATION (поворот) - Регулировка изображения, парaлельно линиям шкапы

5. POWER - При включении сети, загорается индикатор.

6. POWER -Включатель сетевого питания.

7. VOL TS/DIV (вольт/дел) - Устанавливают коэффициенты отклонения каналов от 5 мВ/дел до 5 В/дел в 10 диапазонах.

8. СН 1(Х), СН 2(У) - (Канал 1) вход канanа 1. (Канал 2) вход канала 2. В режиме X-Y, входной канал Х-оси. В режиме X-Y, входной канaл Y-ocu.

9. VARIABLE (плавно) - Плавное изменение коэффициентов отклонения каналов с перекрытием не менее чем в 2.5 раза в каждом положении переключателей в/дел. Когда ручка вытянута (режим х5 раз) происходит увеличение амплитуды в 5 раз.

10. AC-DC-GND Переключатель режима входов усилителя.

АС: закрытый вход

DC: открытый вход

GND: Вход усилителя отключается от источника сигнала и заземляется.

11. POSITION (положение) - Регулировка положения лучей обеих каналов по вертикaли.

12. ALT/CHOP -Когда кнопка отжата в двухканальном режиме, режим работы коммутатора выбирается автоматически исходя из положения ручки время/дел. При нажатии на кнопку коммутатор принудительно переключается в режим попеременный.

13. СН1 и СН2 DC BAL -Балансировка канапов 1 и 2.

14. VERT MODE (режимы) - Переключатель режима работы усилителя в положениях:

СН 1: на экране наблюдается сигнал канanа 1.

СН 2: на экране наблюдается сигнал канanа 2.

ALT: на экране наблюдаются изображения сигнanов обоих каналов.

ADD: На экране наблюдается апгебраическая сумма или разность (при нажатии кнопки СН 2 INV сигналов каналов 1 и 2).

15. GND гнездо подключения заземления.

16. INV СН 2 (инвертирование в канале 2) - Инвертирование сигнала в канале 2.

17. СН1 и СН2 DC BAL - Балансировка канапов 1 и 2.

18. AC-DC-GND - Переключатель режима входов усилителя.

АС: закрытый вход

DC: открытый вход

GND: Вход усилителя отключается от источника сигнала и заземляется.

19. POSITION (положение) - Регулировка положения лучей обеих каналов по вертикanи.

20. СН 1(Х), СН 2(У) (Канал 1) вход канanа 1. (Канал 2) вход канала 2. В режиме X-Y, входной канал Х-оси. В режиме X-Y, входной канaл Y-ocu.

21. VARIABLE (плавно) - Плавное изменение коэффициентов отклонения каналов с перекрытием не менее чем в 2.5 раза в каждом положении переключателей в/дел. Когда ручка вытянута (режим х5 раз) происходит увеличение амплитуды в 5 раз.

22. VOL TS/DIV (вольт/дел) - Устанавливают коэффициенты отклонения каналов от 5 мВ/дел до 5 В/дел в 10 диапазонах.

23. SOURCE (источник). Выбирает режим внутренней и внешней синхронизации.

СН 1 (канал 1), (Х-У) - Развертка синхронизируется сигналом с первого канала.

СН 2 (канал 2) -Развертка синхронизируется сигналом со второго канanа.

LINE (сеть) -Развёртка синхронизируется от сети.

ЕХТ (внешний) - Развёртка синхронизируется внешним сигналом.

24. TRIG IN -Вход сигнала внешней синхронизации.

25. TRIGER MODE - Выбор режима работы запуска развертки:

AUTO -если нет сигнала синхронизации или он меньше 25 Гц, развертка переходит в автоколебательный режим;

NORM -развертка запускается только при напичии входного сигнала;

TV-V -синхронизация по вертикaли (по кадрам);

TV- H -синхронизация no горизонтали (по строкам);

В обоих режимах полярность сигнanа должна быть отрицательной.

26. SLOPE (полярность)–Переключатель полярности синхронизирующего сигнала.

"+"-Развёртки синхронизируются положительным перепадом исследуемого сигнaла.

'-" - Развёртки синхронизируются отрицательным перепадом исследуемого сигнала.

27. TRIG ALT - Развертка поочередно синхронизируется сигналом с 1-го и 2-го каналов.

28. LEVEL (уровень) - Выбирает уровень исследуемого сигнала, при котором происходит запуск развёртки каналов.

29. TIME/DIV (Время/дел) - Устанавливает коэффициент развёртки от 0,2 мкс/дел до 0,5 с/дел 20 ступенями. При переводе в положение X-Y обеспечивается наблюдение фигур Лиссажу.

30. SWP VAR (развертка плавно) - Обеспечивает плавную регулировку коэффициента развертки с перекрытием 2,5 раза в каждом положении переключателя время/дел.

31. Х10 MAG (увеличение в 10 раз) частота развертки увеличивается в 10 раз.

32. POSITION (положение). Перемещает изображение по горизонтапи.

33. Масштабная сетка

1.2 Расположение и назначение органов управления (задняя панель).

34. Z-AXIS IN PUT - Вход для подачи сигнала, модулирующего яркость луча.

35. СН 1 OUTPUT - Выход сигнала канала 1 с напряжением приблизительно 20 мВ/дел при нагрузке 50 Ом, для подключения частотомера или другого измерительного прибора.

36. Вход сетевого напряжения.

37. Предохранители.

38. Ножки осциллографа.

Вольтметр и микроамперметр, имеющийся в лабораторной установке, работают на использовании явления электромагнитной индукции. Измерительная головка этих приборов относится к электродинамической системе.

В состав головки входит постоянный магнит, между полюсами которого установлена рамка из проволоки, способная вращаться вокруг своей оси. К рамке жестко крепится стрелка измерительного прибора. При протекании электрического тока по виткам рамки вокруг нее создается магнитное поле. Взаимодействие магнитного поля рамки с током и магнитного поля постоянного магнита вызывает появление механического вращающего момента. Рамка со стрелкой поворачивается от силы тока, протекающего по виткам рамки.

Особенностью приборов магнитоэлектрической системы является то, что они могут измерять только электрические величины постоянного тока. Для использования приборов такой системы в цепях переменного тока в его схему устанавливают выпрямительный диод.

Наиболее общим требованием к любой измерительной системе или прибору, является - минимальное влияние на измеряемую цепь. С учетом этого требования сопротивление измерительной системы вольтметра должно быть большим, т.к. вольтметр подключается параллельно участку цепи на котором измеряется падение напряжения. Амперметр включается в цепь последовательно (в разрыв цепи). Поэтому сопротивление его измерительной системы должно быть минимальным.

Большое количество электроизмерительных приборов являются многопредельными. Многопредельные приборы позволяют расширить пределы измерений, повысить точность измерений и предотвратить выход из строя измерительного прибора.

Для расширения пределов измерений амперметра параллельно его измерительной головки включают резисторы, которые называют шунтами. Для расширения пределов измерения вольтметра в его схему последовательно с измерительной головкой подключают добавочные сопротивления. В многопредельном амперметре используется первый закон Кирхгофа, а в многопредельном вольтметре- второй закон Кирхгофа.

Цифровые измерительные приборы имеют более сложную принципиальную схему и конструкцию. Объясняется это тем, что в цифровом измерительном приборе значение измеряемого тока, напряжения или другого параметра необходимо преобразовать в последовательность импульсов, фиксируемых цифровой измерительной головкой.

Лабораторная работа №2

Усиление сигналов.

Теория.

Усилителем называется четырехполюсник, предназначенный для того, чтобы за счёт энергии источника питания увеличить интенсивность колебаний, не изменяя по возможности их форму (при необходимости).

Увеличение интенсивности выражается в усилении колебаний по напряжению, току или мощности. Соответственно различают усилители напряжения, тока и мощности. Следует заметить, что в усилителях напряжения и тока сигнал усиливается и по мощности, хотя это не определяется их назначением.

Необходимая для усиления энергия поступает от источника питания обычно постоянного тока, вместе с тем ток в сопротивлении нагрузки усилителя должен иметь форму усиливаемого сигнала. Следовательно, в усилителе должно происходить преобразование и этим процессом должен управлять сигнал, подводимый ко входу усилителя.

Преобразование осуществляется посредством электронной лампы, транзистора или другого нелинейного элемента, причём для управления ими источник сигнала или совсем не расходует мощности или эта мощность очень мала.

По характеру нагрузки усилители делятся на апериодические и избирательные. В первых сопротивление нагрузки значительно меньше зависит от частоты, чем во вторых. Усилители звуковых частот обычно апериодические, т.к. они усиливают управляющие сигналы с шириной спектра F_max –F_min , значительно большей, чем минимальная частота этого спектра F_min . Наоборот, для спектра частот радиосигналов характерно неравенство f_max –f_min <<f_min , и поэтому усилитель радиочастот должен быть избирательным. Это достигается тем, что в качестве нагрузки используют колебательные системы.

Итак, усилитель содержит нелинейные и линейные элементы, а также источники питания. В общем случае усилитель является активным нелинейным четырёхполюсником. Если же, как в усилителях напряжения или малой мощности, амплитуда возбуждения невелика и управляемый элемент, полностью работает на прямолинейном участке вольтамперной характеристики, то усилитель становится активным линейным четырёхполюсником. К нему можно применять принцип суперпозиции и все понятия, относящиеся к линейным пассивным четырёхполюсникам.

Типы усилителей.

По роду усиливаемых электрических сигналов усилители разделяют на две группы:

Усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления квазипериодических сигналов различной величины и формы, т.е. сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности переходных процессов в цепях усилителя.

Усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления импульсов различной величины и формы. Переходные процессы в цепях этих усилителей должны протекать с такой скоростью, чтобы обеспечить допустимые искажения формы усиливаемых импульсов.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот, усилители делят на следующие типы:

Усилители постоянного тока (точнее, усилители медленно меняющихся напряжений и токов), предназначенные для усиления электрических колебаний любой частоты, т.е. усиливающие как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

Усилители переменного тока, предназначенные для усиления электрических колебаний любой частоты, но не усиливающие постоянную составляющую сигнала.

Усилители радиочастоты, предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты (как модулированной, так и немодулированной). УРЧ характеризуются отношением высшей рабочей частоты к низшей, близким к единице.

Усилители видеочастот, характеризуются большим соотношением высшей и низшей частот рабочего диапазона. К этому же типу относятся широкополосные усилители и усилители звуковых частот.

Кроме того, усилители разделяются на усилители прямого усиления, в которых подводимые электрические колебания усиливаются непосредственно, без преобразования частоты этих колебаний, и усилители с преобразованием, в которых спектр частот усиливаемых колебаний преобразуется.

Избирательные усилители усиливают электрические сигналы в узкой полосе частот, их усиление резко падает на частотах выше и ниже рабочей полосы. Избирательные усилители подразделяют на резонансные и узкополосные. В резонансных усилителях нагрузкой являются колебательные системы, а в узкополосных – фильтры.

Режимы работы усилительного элемента.

Режим А.

Режимом А, называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала (угол отсечки Q=180⁰) и крайнее положение рабочей точки не выходят за пределы сравнительно прямолинейной части входной характеристики транзистора.

Углом отсечки называется половина интервала времени, выраженного в градусах или радианах, в течение которого протекает ток в нагрузке усилителя за один период колебания.

1. точка запирания транзистора;

2. исходное положение рабочей точки на характеристике (сигнал отсутствует).

Основным достоинством усилителя, работающего в режиме А, являются минимальные искажения сигнала, а недостатком - низкий КПД.

Режим В.

Режимом В называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи протекает в течение половины периода сигнала (угол отсечки Q=90⁰). Рабочая точка в исходном состоянии находится в точке запирания усилительного элемента. Ток покоя в режиме В равен нулю, а выходной ток протекает в течение 2Q= π.

В результате значительно повышается КПД усилителя, но возрастают нелинейные искажения за счёт искажения формы выходного тока.

Режим В широко применяют в 2^х-тактных усилителях, которые обеспечивают высокий КПД и невысокий уровень нелинейных искажений за счёт подавления чётных гармоник. На практике широко используют промежуточный режим АВ в 2^х-тактных усилителях, когда рабочая точка в исходном состоянии выбирается правее точки запирания 1 усилительного элемента на криволинейном участке входной характеристики усилительного элемента. В режиме АВ незначительно снижается КПД, но заметно уменьшаются нелинейные искажения. В усилителях однотактных импульсных сигналов режим В может применяться в однотактной схеме.

Режим С.

Режимом С называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в его выходной цепи при подаче на вход синусоидальной ЭДС протекает меньше половины периода. Для этого рабочая точка в исходном состоянии (сигнал на входе отсутствует) выбирается напряжением смещения левее точки запирания усилительного элемента. Угол отсечки выходного тока Q<90⁰. Ток покоя в режиме С равен нулю. Разложение выходных импульсов в ряд Фурье показывает, что даже при прямолинейности динамической характеристики каскада выходной ток имеет постоянную составляющую, а также чётные и нечётные гармоники. Режим С широко используют в мощных резонансных усилителях передающих устройств, где нагрузкой является параллельный колебательный контур, настроенный на частоту подаваемого на вход сигнала.

Использование режима С в мощных усилителях объясняется его высоким КПД, т.к. при отсутствии сигнала усилительный элемент закрыт и ток покоя I₀=0.

Основным недостатком усилителей, работающих в режиме С, является сильная степень искажений выходного сигнала относительно входного.

Режим D.

Режимом D или ключевым режимом называют такой режим работы, при котором усилительный элемент в течение рабочего цикла находится только в двух состояниях: или полностью заперт, а, следовательно, текущий через него ток равен нулю, или полностью открыт, а, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю. В таком режиме потери питающей энергии в усилителе незначительны, а, следовательно, КПД усилителя высокий. Режим D эффективен в цифровых устройствах и системах автоматики.

Основные параметры усилителей.

1. Коэффициент усиления: по напряжению ;

по току ; по мощности . Коэффициент усиления обычно выражают в децибелах

lqK_i=20lqK_U=10lqK_P .

2. Амплитудно-частотная характеристика – зависимость амплитуды напряжения сигнала на выходе усилителя от частоты при неизменном уровне сигнала на его входе. Неравномерность АЧХ - это отношение наибольшего и наименьшего значений напряжения на выходе в заданном диапазоне частот, выраженное в децибелах.

3. Входное сопротивление – сопротивление входа усилителя для переменного тока.

4. Выходное сопротивление- сопротивление выхода усилителя для переменного тока.

5. Нелинейные искажения обусловлены нелинейностью вольтамперных характеристик усилительных элементов. При этих искажениях на выходе усилителя появляются новые компоненты спектра частот, отсутствующие на входе. При подаче на вход усилителя одновременно двух или нескольких синусоидальных сигналов на выходе, кроме этих частот появляются их высшие гармоники и комбинационные частоты, равные сумме и разности любых гармоник каждого сигнала, подведённого к входу. Эту разновидность нелинейных искажений называют интермодуляционными искажениями.

6. Переходные искажения появляются в результате наложения на воспроизводимый сигнал колебаний, обусловленных неустановившимися процессами в усилителе. Количественно они оцениваются по переходной характеристике. Переходная характеристика усилителя- это зависимость амплитуды выходного напряжения от времени после включения на его вход сигнала. По переходной характеристике линейного устройства можно вычислить его АЧХ и ФЧХ (Фазочастотная характеристика).

7. Помехи в усилителях обусловлены собственными шумами, фоном и наводками.

8. Чувствительность усилителя- напряжение сигнала на входе при номинальном уровне сигнала на его выходе.

9. Амплитудная характеристика усилителя- зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды сигнала на его входе.

10. Динамический диапазон амплитуд- отношение (обычно в децибелах) амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов.

Цель работы

Исследование процессов усиления сигналов в линейном и нелиней­ном режимах.

Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется сменный блок ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГ­НАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ. Схема исследуемой цепи приведена на рис. 2.1 и представляет со­бой усилительный каскад на полевом транзисторе.

Рис 2.1 Схема исследуемой цепи.

Выбор нагрузки в цепи стока (резистор R либо коле­бательный LC контур) осу­ществляется кнопками пере­ключателя «НАГРУЗКА». Изменение резонансных КТ2 свойств контура достигается с помощью кнопки «R_ш», ко­торая шунтирующий рези­стор (R_ш=10 кОм) подключа­ет параллельно LC контуру, уменьшая его добротность.

В работе используется сток- затворная характери­стика полевого транзистора,

Снятие вольтамперной (сток-затворной) характеристики полевого транзистора I_c⁼f(Ecм) производится путем последовательной установки ряда напряжений смещения (см. табл.2.1), измеряя для каждого из них значения тока стока «I_с» .

Таблица 2.1

Сток- затворная характеристика полевого транзистора

Eсм	В	0	-0,5	-1	-1,5	…	U0
U	мА						0

Для последнего необходимо на­жать кнопку «I_с» и снять отсчет со встро­енного миллиамперметра.

При этом следует учесть, что полное отклонение стрелки этого прибора -5,0 мА, оно не зависит от положения пере­ключателя пределов измерений. Во избе­жание ошибок при снятии вольт- амперной характеристики следует отключать все провода от входов сумматора.

После заполнения таблицы построить график I_c(Е_см), подобный рис.2.2.

Рис. 2.2. Сток- затворная характеристика полевого транзистора

Источником входного сигнала служит встроенный диапазонный генератор, который подключается к любому входу сумматора, например, к гнездам 1.

В качестве измерительных приборов используется встроенный вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и ПК. Кроме того, диодный детектор макета (на рис. 2.1 не показан) и стрелоч­ный микроамперметр стенда образуют индикатор резонанса, позволяю­щий настраивать контур в резонанс без применения внешних приборов.

При наблюдении процессов на входе нелинейного элемента приборы должны подключаться к затвору (гнездо КТ1), на выходе - к стоку (гнез­до КТ2).

Домашнее задание

1. Изучите по литературе материал по автоколебательным системам

2. Аппроксимируйте сток - затворную характеристику, соответст­вующую Вашему стенду, кусочно-линейной и кусочно-параболической функциями. Выберите на них напряжения смещения, соответствующие: а) середине линейного участка; б) углу отсечки Q =90º .

Лабораторное задание

Исследуйте работу резонансного усилителя в линейном и нелиней­ном режимах.

Методические указания

Принципиальная схема макета изображена на рис. 2.1. Переключа­тель «НАГРУЗКА» — в положении «LC», переключатель «R_ш» должен быть выключен (кнопка отжата).

Настройка в резонанс осуществляется путем изменения частоты встроенного генератора в диапазоне 12-16 кГц при U_вх 0,5 В. Достиже­ние резонанса фиксируется по максимальному напряжению в цепи стока (гнездо КТ2) либо по максимальному показанию микроамперметра стен­да, постоянно включенному в цепь индикатора резонанса. Значение резо­нансной частоты f₀ вносится в табл. 2.2.

1. Линейный режим усиления.

1.1. Положение рабочей точки выбирается на середине линейного участка сток- затворной характеристики, аппроксимированной отрезками прямых линий. Найденное значение напряжения смещения E_см устанав­ливается потенциометром «СМЕЩЕНИЕ» и вносится в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Амплитудная характеристика для линейного режима

ЕCM =... В; fо ^=... кГц
Uвх,В
Uвых, В

1.2. Амплитудная характеристика усилителя U_вых = (U_BX) снимает­ся при изменении напряжения входного сигнала в пределах от 0 до 2 В; начальный участок рассматривается подробно через 0,05 В. Результаты заносятся в табл. 2.2. Строится график ₁.

1.3. Временные диаграммы входного напряжения U_вх(t) напряжения на выходе U_вых(t) при двух значениях добротности колебательного кон­тура (R_ш выключено, включено) и тока стока i_c(t) (переключатель на­грузки в положении «R») наблюдаются и зарисовываются при действии на входе (гнездо КТ1) напряжения U_вх =U_вх.max , где U_вх.max - наиболь­шее напряжение, при котором амплитудная характеристика еще может считаться линейной (определить по графику ₁).

2. Нелинейный режим усиления.

2.3. Положение рабочей точки выбирается так, чтобы угол отсечки был равен 90º . Для этого устанавливается Е_см = U₀ (напряжение отсечки на графике кусочно-линейной аппроксимации сток - затворной характе­ристики). Найденное значение Е_см устанавливается потенциометром «СМЕЩЕНИЕ» и вносится в табл. 2.3, подобную табл. 2.2.

2.2. Амплитудная характеристика усилителя U_вых = ₂(U_вх) в нели­нейном режиме снимается при изменении напряжения на входе (гнездо КТ1) в пределах 0-4 В. Перед снятием каждого отсчета выходного сигна­ла (гнездо КТ2) необходимо подстраивать частоту генератора в резонанс (по максимуму U_вых). Результаты измерений заносятся в табл. 2.3. По­строить график зависимости ₂ и определить на нем границу линейного участка амплитудной характеристики U_{вх max}.

2.3. Временные диаграммы наблюдаются и зарисовываются при U_вх =U _{вх max}- Необходимо зафиксировать с сохранением масштаба по осям времени:

• осциллограмму входного сигнала U_вх(t) (гнездо КТ1);

• осциллограмму тока стока I_c(t) - для этого нажать кнопку «R» вы­бора нагрузки (гнездо КТ2);

•две осциллограммы выходного напряжения U_вых(t) при включенном колебательном контуре (нагрузка LC) для двух вариантов добротности контура (кнопка «R_ш» нажата и отжата) - гнездо КТ2.

Отчет

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему исследованных устройств;

2) исходную и аппроксимированную сток- затворную характеристи­ки полевого транзистора для соответствующего варианта;

3) таблицы исходных, расчетных и экспериментальных данных;

4) графики амплитудных характеристик ₁ и ₂ , а также осцилло­граммы исследованных процессов.

Контрольные вопросы

1. Какова роль полевого транзистора в схеме линейного усилителя?

2. Почему в качестве нагрузки в линейном усилителе применяются резистор, колебательный контур?

З.Как выбрать рабочую точку на характеристике усилительного элемента линейного усилителя?

4. Каковы преимущества нелинейных усилителей?

5. Какова связь между формой напряжения на входе и выходе нели­нейного резонансного усилителя?

6. Какова роль избирательной нагрузки в схемах нелинейных усили­телей?

7. Как выбрать рабочую точку на характеристике усилительного элемента нелинейного усилителя?

8. С какой целью применяются усилители?

9. Как выбрать оптимальный режим работы усилителя?

10. Как получить осциллограмму тока, протекающего через колеба­тельный контур?

11. Что такое коэффициент гармоник?

Лабораторная работа №3

Исследование LC- генератора.

Теория.

Генерирование автоколебаний.

Основные определения.

Автоколебательными системами называются устройства, которые, не получая внешнего возбуждении, преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию колебаний. В системах электросвязи такие устройства называются генераторами с самовозбуждением (автогенераторами), а полученные в них колебания – автоколебаниями.

Автогенераторы разделяются на генераторы гармонических колебаний и генераторы релаксационных (несинусоидальных) колебаний.

Автогенератор состоит из нелинейного элемента (усилителя и цепи положительной обратной связи). Усилитель, используя энергию источника питания, сообщает автоколебаниям необходимую мощность. Цепь обратной связи обеспечивает автоматическое подвозбуждение усилителя.

В схеме автогенератора гармонических колебаний (рис.3.1), усилитель включает в себя источник постоянного напряжения Е_пит. (1), нелинейный усилительный элемент (2) и избирательную систему в виде параллельного контура RLC (3), который является нагрузкой усилительного элемента. Схема обратной связи (4) состоит из индуктивно связанных катушек L и L_св.

Рис. 3.1 Автогенератор гармонических колебаний.

В момент включения источника питания появляется коллекторный ток, который вызывает колебания в контуре. Если бы обратной связи не было, то эти колебания оказались бы свободными и вскоре прекратились бы вследствие потерь энергии на резисторе R.

При наличии обратной связи контурный ток индуктирует в катушке L_св напряжение, которое подаётся транзистора и изменяет ток коллектора. Амплитуда и фаза индуцированного напряжения должны быть такими, чтобы мощность, вводимая в контур, была больше мощности потерь. Тогда амплитуда контурного тока, а с ней и амплитуда напряжения возбуждение возрастёт, мощность, приобретённая контуром, увеличивается, т.е. появляются незатухающие колебания. Поступающая в контур энергия становится равной расходуемой в контуре энергии, наступает стационарный режим и амплитуда колебаний стабилизируется.

Условимся называть прямым такой процесс, в результате которого напряжение возбуждения с амплитудой U_БЭ вызывает в коллекторной цепи ток с амплитудой первой гармоники , а обратным процессом – такой, в результате которого выходное напряжение , действуя на цепь обратной связи, сообщает базе транзистора напряжение возбуждения с амплитудой . Прямой процесс оценивается коэффициентом усиления собственно усилителя

, … (1)

а обратный процесс- коэффициентом передачи напряжения цепи обратной связи

, … (2)

Рассматривая генератор как усилитель с обратной связью, на вход которого подаётся внешнее напряжение с амплитудой- , определяем коэффициент усиления , по формуле:

, … (3)

В стационарном режиме . Тогда:

, … (4)

показатель обратной связи 1- , а коэффициент усиления равен бесконечности.

Полученный результат означает, что если напряжение обратной связи равно напряжению возбуждения , то внешнего возбуждения не требуется ( ), так как даже в этих условиях коэффициент линейного усиления →∞.

Равенство требует равенства их модулей, которое называется балансом амплитуд, и равенства их аргументов, которое называется балансом фаз; кроме того, необходимо соблюдение условия устойчивости, означающего постоянство амплитуды автоколебаний.

Цель работы.

Исследование схемы транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью.

Экспериментальная проверка основных положений теории самовозбуждения, стационарного и переходного режимов.

Краткая характеристика исследуемой цепи.

В данной работе используется левая часть сменного блока АВТО­ГЕНЕРАТОРЫ. Генератор LC (рис. 3.2) собран на полевом транзисторе с колебательным контуром в цепи стока и трансформаторной обратной связью. Частота генерации постоянна и находится в пределах 18-24 кГц. Тумблер в цепи обратной связи (ОС) позволяет изменять знак ОС, либо вообще отключать ее.

Рис. 3.2 Схема LC генератора.

Регулятор взаимной индуктивности (М) позволяет плавно менять абсолютную величину обратной связи. Переключатель вида смещения позволяет выбрать либо регулируемое, либо автоматическое смещение на затворе полевого транзистора. Регулировка смещения производится движковым потенциометром «Е_см» в правой части стенда и контролиру­ется вольтметром, расположенным над потенциометром «Е_см». Выше вольтметра смещения находится миллиамперметр, который в данной работе измеряет ток стока транзистора при снятии его вольт- амперной характеристики.

Тумблер ПРЕРЫВАТЕЛЬ включает электронный коммутатор (на схеме не показан), который периодически разрывает цепь обратной связи для изучения переходных процессов в автогенераторах.

Гнезда КТ1 в данной работе не используются, гнезда КТ2 соединены с затвором, а КТЗ - со стоком полевого транзистора. Дифференцирующая цепь, включенная между гнездами КТЗ и КТ4, используется для получе­ния так называемых фазовых портретов на экране осциллографа при изу­чении переходных процессов.

В качестве измерительных приборов используются внутренние вольтметр переменного напряжения и диапазонный генератор гармони­ческих колебаний, внутренние приборы постоянного тока, осциллограф и ПК, работающий в режиме анализа спектра (для измерения частоты гене­ратора).

Домашнее задание

1. Изучите преобразование частоты по рекомендованной литературе

2. Сделать заготовку отчета.

Лабораторное задание

1. Исследуйте «мягкий» и «жесткий» режимы самовозбуждения генератора.

2. Получите амплитудные характеристики стационарного режима при разных смещениях.

З. Получите колебательные характеристики резонансного усилителя без обратной связи.

4. Наблюдайте колебания в стационарном и переходных режимах.

Методические указания

1. Исследование режимов самовозбуждения генератора.

1.1. Снятие вольт- амперной характеристики (ВАХ) полевого транзи­стора производится с помощью внутренних источников и измерительных приборов.

Убедиться в том, что:

- все внешние провода отключены от генератора;

- обратная связь отключена (тумблер ОС в среднем положении);

- прерыватель отключен;

- тумблер вида смещения - в положении РЕГ (регулируемое). Подготовить таблицу ВАХ (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Последовательно устанавливая значения Е_см из таблицы ручкой «Е_см», измерить и внести в таблицу значения тока стока.

Построить график ВАХ I_с= ₁(U_зн).

1.2. Включить тумблером положительную обратную связь. Ручку «М» регулировки величины обратной связи установить в крайнее левое положение (М=0). Подключить к выходу генератора (гнездо КТЗ) ос­циллограф и вольтметр переменного напряжения.

По графику ВАХ определить соответствующее середине линей­ного участка ВАХ. Установить это значение регулятором смещения стенда.

1.3. Плавно увеличивая взаимную индуктивность ручкой «М», до­биться появления генерации (по вольтметру или осциллографу). Умень­шить М, добиваясь минимальных устойчивых колебаний (не более 0,5 В). Затем с помощью регулятора Е_см найти такое смещение, при котором выходное напряжение генератора станет максимальным. Далее регулято­ром «М» добиться прекращения колебаний. Таким образом, определено смещение «мягкого» режима Е_см и критическое значение величины обратной связи М_кр1, которые следует внести в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Устанавливая ряд значений М, измерять U_ст и результаты вносить в таблицу, причем обе строки U_ст снимать при одних и тех же значениях М. По данным таблицы построить график U_ст = (М).

1.4. Убедившись в наличии генерации, определить частоту генери­руемых колебаний по осциллографу (измерить период с учетом цены де­ления переключателя развертки) или по шкале анализатора спектра.

1.5. Работа генератора в «жестком» режиме. Выберите предвари­тельное положение рабочей точки на нижнем изгибе ВАХ и установите соответствующее смещение. Регулируя «М», убедитесь, что при некото­ром М= М_кр1 колебания возникают скачкообразно, а при некотором М= М_кр2 - срыв колебаний. (М_кр2 < М_кр1). Если колебания вообще не возникают, необходимо немного уменьшить абсолютное значение сме­щения /Е_см/, а если М_кр1 и М_кр2 различаются незначительно - соответст­венно увеличить /Е_см/. Путем нескольких таких проб найти Е_cм2 «жестко­гo» режима, при котором М_кр1 и М_кр2 существенно различаются; внести это значение в табл. 3.3, подобную табл. 3.2 (с добавлением значения М_кр2). После окончательного выбора E_см2 до полного заполнения табл. 3.3 трогать ручку «Е_см» не рекомендуется. После заполнения таблицы строятся графики U_ст= (М) для «жесткого» режима.

Таблица 3.3

1.6. По указанию преподавателя повторить п.1.3 для автоматическо­го смещения; при этом переключатель вида смещения установить в по­ложение АВТ.

2. Колебательные характеристики.

2.1. Отключить обратную связь. Соединить вход резонансного уси­лительного каскада без обратной связи (гнездо КТ2) с диапазонным гене­ратором стенда (в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ). К выходу (гнезда КТЗ) подключить осциллограф и вольтметр переменного напряжения. Установить частоту генератора около 20 кГц, выходное напряжение ~0,1В.

2.2. Определить частоту резонанса LC контура путем плавной пере­стройки частоты генератора в пределах 18-24 кГц. Достижение резонанса фиксируется по максимуму выходного напряжения (гнезда КТЗ). Значение f_рез ввести в табл.3.4.

2.3. Установив смещение «мягкого» режима E_см1 (а затем и Е_см2 для «жесткого»), снять зависимость U_вых= (U_вх) на резонансной частоте. В качестве минимального значения принять U_{вх min} = 0,1 В. Результаты измерений дать в виде первых двух строк табл. 3.4.

Таблица 3.4.

Колебательная характеристика генератора.

«Мягкий режим»; Есм=Есм1=…В; fрез=…кГц; Rэо=…кОм
Uвх	В	0,1
Uвых	В
I1	мА
Sср	мА/В

Напомним, что средняя крутизна - это отношение действующих значений первой гармоники тока стока и входного напряжения:

,

Находим:

,

где, R_э0- резонансное сопротивление контура; его можно найти через модуль коэффициента усиления, определенный для линейного режима усиления (когда U_вх=U_вхmin=0,1B).

Тогда коэффициент усиления:

,

Определив крутизну S_рт в мА/В, пользуясь графиком ВАХ для Е_см1 «мягкий режим», получаем R_э0 (в кОм):

.

Используя полученные формулы, заполнить последние две строки табл. 3.4.

2.4. Повторить п.2.3 для «жесткого» режима (Е_см2), сохраняя най­денное значение R_э0.

2.5. По указанию преподавателя повторить исследования для авто­матического смещения.

3. Переходной режим.

3.1. Восстановить схему генератора, отключив приборы от гнезда КТ2, включить положительную обратную связь. Включить ПРЕРЫВА­TEЛЬ. Осциллограф подключается к выходу (гнезда КТЗ). Наблюдать осциллограмму переходного процесса в одном из режимов (по указанию преподавателя), отрегулировав значение «М» так, чтобы четко просмат­ривался процесс нарастания и спада колебаний.

3.2. Для получения «фазового портрета» соединить гнездо КТЗ со входом Х, а гнездо КТ4 со входом У осциллографа. Развертка отключает­ся. Подобрать масштабы изображения по вертикали и горизонтали так, чтобы оно размещалось в пределах экрана осциллографа.

Отчет

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему LC генератора;

2) вольт- амперную характеристику транзистора;

3) амплитудные характеристики;

4) колебательные характеристики;

5) графики средней крутизны;

6) осциллограммы переходных процессов.

Контрольные вопросы

1. Изобразите обобщенную схему автогенератора.

2. Сформулируйте критерии устойчивости.

3. Что такое баланс фаз и баланс амплитуд на примере изучаемой цепи?

4. Какие колебания дают начало процессу самовозбуждения?

5. Какова роль усилительного элемента в схеме автогенератора?

6. Какова роль обратной связи?

7. Какова роль нелинейного элемента?

8. От чего зависит частота генерации?

9. От чего зависит форма колебаний?

10. В чем суть квазилинейного метода?

11. Как получить зависимость S_cp от амплитуды?

12. Перечислите особенности «мягкого» режима.

13. Перечислите особенности «жесткого» режима.

14. Поясните принцип действия автоматического смещения.

15. Что такое колебательная характеристика?

16. Изобразите схему трехточечного автогенератора.

Лабораторная работа №4

Преобразование частоты.

Теория.

Преобразователи частоты служат для переноса спектра частот из одной области в другую без изменения характера модуляции. Они являются частью супергетеродинного приёмника. В результате преобразования получается новое значение частоты f_пр, называемой промежуточной. Частота f_пр может быть как выше, так и ниже частоты принимаемого сигнала f_с; в первом случае происходит преобразование частоты вверх, во- втором – вниз. В большинстве случаев используется второй случай, когда f_пр<f_с на величину частоты f гетеродина.

Понижение f_сиг. До уровня f_пр. в приёмнике позволяет значительно повысить чувствительность приёмника и его помехоустойчивость.

Процесс преобразования высокочастотных колебаний в колебания промежуточной частоты осуществляется в преобразовательном каскаде приёмника. В результате работы преобразователя происходит понижение несущей частоты сигнала и его боковых полос, но закон модуляции остаётся неизменным.

Схемы преобразователей частоты бывают различные, но в любой из них имеются гетеродин и смеситель. Гетеродин представляет собой маломощный генератор вспомогательных синусоидальных колебаний высокой частоты, перестраиваемый одновременно с изменением настройки высокочастотных каскадов приёмника. Смеситель является устройством, в котором происходит смешивание колебаний гетеродина с колебаниями принимаемого сигнала и преобразование их при помощи нелинейного элемента.

Характерной особенностью всех преобразовательных каскадов является наличие трёх резонансных контуров. Первый резонансный контур, настраиваемый на частоту принимаемого сигнала f_с (сигнальный контур) включается на входе преобразователя. Второй резонансный контур-контур гетеродина, настраиваемый на частоту генерируемых колебаний:

… (1)

при верхней настройке гетеродина, когда f_г>f_с и :

… (2)

при нижней настройке гетеродина f_г<f_сигн.

Третий контур (или ФСС), настраиваемый на частоту f_пр , является нагрузочным элементом каскада преобразователя частоты.

Для преобразования частоты в приёмниках используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами. Структурная схема преобразователя частоты, показанная на рис.4.1, содержит преобразовательный элемент ПЭ, гетеродин Г и фильтр Ф.

Рис.4.1 Структурная схема преобразователя частоты

Режим работы ПЭ периодически во времени меняется под действием напряжения гетеродина с частотой гетеродина f_г. В результате меняется крутизна ВАХ преобразовательного элемента для напряжения сигнала. Положим, что КПЭ со строго квадратичной ВАХ i₂=f(U) приложены напряжение гетеродина U_r и некоторое напряжение смещения Е_см; при этом U=U_r+Е_см . Под воздействием напряжения гетеродина рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и, как следует из рис.2, крутизна S в рабочей точке также будет меняться от S^’ до S^”.

Так как , то при квадратичной ВАХ зависимость крутизны S от напряжения U линейна. Следовательно, при косинусоидальном напряжении U_г крутизна S изменяется также по косинусоидальному закону и содержит постоянную составляющую и первую гармонику. Тогда, , где S₀- постоянная составляющая крутизны ПЭ; S₁-амплитуда первой гармоники крутизны ПЭ.

Ток на выходе ПЭ . пусть на входе ПЭ действует сигнал , где U_сигн, _сигн - функции времени. Подставив в выражение для тока i₂ значение S(t) и U_сигн, получим . Используя правило перемножения Косинусов, запишем

(3)

Согласно (3) ток на выходе ПЭ содержит составляющие трёх частот: частоты f_сигн, суммарной частоты f_r+f_сигн и разностной частоты f_r-f_сигн. Из составляющих выходного тока используют чаще всего составляющую разностной частоты:

… (4)

Фильтр на выходе преобразователя частоты выделяет только эту составляющую выходного тока. Согласно (4) амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна U_сигн, следовательно при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала сохраняется (при амплитудной модуляции). Фаза тока i_2разн также соответствует фазе исходного сигнала _с , т.е. при преобразовании частоты фазовая модуляция сохраняется. Амплитуда тока i_2разн зависит от изменения крутизны S₁. При U_r=0, как следует из рис.2, S₁=0;i_2разн=0 (преобразование по частоте не происходит). Чем больше U_r, тем больше S₁, а, следовательно, больше амплитуда тока i_2разн и амплитуда напряжения на выходе преобразователя.

В зависимости от вида ПЭ преобразователи частоты подразделяют на диодные, транзисторные и интегральные. В зависимости от числа ПЭ различают следующие виды преобразователей частоты: простые (один ПЭ), балансные (два ПЭ), кольцевые (четыре ПЭ). Если f_пр=f_с-f_г, то положение боковых полос частот относительно несущей частоты после преобразования частоты не меняется (неинвертирующий преобразователь частоты). Если f_пр=f_с-f_г , то боковые полосы частот после преобразования меняются местами, нижняя становится верхней и наоборот (инвертирующий преобразователь частоты).

Анализируя работу преобразователя частоты можно сделать следующие выводы:

1. При преобразовании частоты закон модуляции входного напряжения не нарушается, а изменяется только несущая частота.

2. Для преобразования частоты используют линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.

3. Под действием напряжения гетеродина периодически во времени меняется режим работы ПЭ, в результате чего меняется с частотой f_г крутизна ПЭ. При этом ток на выходе ПЭ содержит помимо составляющей с частотой сигнала ряд комбинационных составляющих, одна из которых с частотой f_пр , выделяемая фильтром, создаёт напряжение на выходе преобразователя частоты.

Цель работы

Исследование процесса преобразования частоты при использовании нелинейного элемента с квадратичным участком вольт- амперной харак­теристики.

Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ, схема кото­рого приведена на рис. 4.1. Исследуемая цепь представляет собой преоб­разователь на полевом транзисторе с избирательной нагрузкой (LC кон­тур) в цепи стока. На затвор полевого транзистора подается сумма на­пряжений сигнала, гетеродина и постоянного напряжения смещения.

Для преобразования частоты используется квадратичный участок сток- затворной характеристики полевого транзистора.

Источником входного сигнала в данной работе служит внутренний генератор амплитудно-модулированных (AM) колебаний, расположен­ный на левом блоке стенда ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ. В этом генерато­ре несущая частота (≈110 кГц) и частота модуляции (1 кГц) фиксирова­ны, напряжение несущей должно быть ≈300 мВ, а глубина модуляции может изменяться в широких пределах ручкой «m». Напряжение AM ко­лебания («сигнал») с выхода внутреннего генератора должно быть пода­но на входные гнезда 1 исследуемой цепи.

Встроенный диапазонный генератор, играющий роль гетеродина, подключается к гнездам 2. Частота его колебаний выбирается в соответ­ствии с результатами предварительного расчета равной f_Г, напряже­ние- 1 В.

В качестве измерительных приборов используются вольтметр и ос­циллограф. Входной сигнал наблюдается на гнездах 1, напряжение гете­родина - на гнездах 2. Для наблюдения процессов на затворе осцилло­граф должен быть подключен к гнездам КТ1; гнезда КТ2 служат для на­блюдения и измерения выходного сигнала.

Домашнее задание

1. Изучите по рекомендованной литературе материал по умножению частоты.

2. Пользуясь сток- затворной характеристикой полевого транзистора, выберите напряжение смещения E_см на середине квадратичного участка. С помощью указаний, данных в п.2, рассчитайте ориентировочные зна­чения частот гетеродина f_Г1 и f_Г2.

3. Внесите в заготовку отчета результаты расчетов.

Лабораторное задание

1. Наблюдайте преобразование частоты амплитудно-модулированного сигнала.

2. Получите характеристику преобразования.

Методические указания

1. Принципиальная схема исследуемой цепи должна соответствовать рис. 4.1. Переключатель «R v LC» устанавливается в положение «LC». При выполнении работы используется контур с пониженной добротно­стью (R_ш включено). Переключатели «С_н», не используемые в данной ра­боте, должны быть установлены в нулевое положение (все кнопки отжа­ты).

2. Подготовительный расчет проводится по формулам:

f_пр=f₀ f_Г1=f_H-f_пр f_Г2= f_H+f_пр

где :

f_пр — преобразованная (промежуточная) частота;

f₀ - резонансная частота контура (13-15 кГц);

f_H =110 кГц - несущая частота сигнала;

f_Г — частота гетеродина. Полученные величины вносятся в приведенную ниже табл. 4.1.

3. Положение рабочей точки выбирается на середине квадратического участка ВАХ транзистора. Найденное значение Е_см вносится в табл. 4.1 и устанавливается потенциометром «СМЕЩЕНИЕ».

4. Режим преобразования частоты обеспечивается настройкой одно­го из генераторов («гетеродина») так, чтобы комбинационная разностная частота

/f_Г — f_Н/ = f_nр (промежуточная частота) совпала с резонансной частотой (fо) контура в цепи стока. Перед настройкой на входе 1 необходимо установить U_Г=1 В от генератора («гетеродина») с частотой f_Г1. На вход 2 подается напряжение «сигнала». «Сигналом» в данной работе яв­ляется напряжение с выхода амплитудного модулятора (гнездо «AM» в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ). Напряжение «сигнала» контролиру­ется встроенным вольтметром переменного напряжения. Для правильной установки AM сигнала необходимо:

• убрать модуляцию (m=0), для этого ручку «m», расположенную ниже гнезда «AM», повернуть влево до упора;

• ручкой «Peг. выхода», расположенной там же, установить дейст­вующее значение напряжения несущей U_n=0,5 В;

• ручкой «m» установить глубину модуляции 30—60%, наблюдая осциллограмму на входе 2. Такой порядок установки параметров AM сигнала связан с тем, что вольтметры переменного напряжения не рас­считаны на сигналы с меняющейся амплитудой.

Варьируется частота f_Г1 до получения на выходе (КТ2) AM колеба­ний с наибольшей амплитудой. Контроль ведется по осциллографу и микроамперметру стенда. Подстраивая в небольших пределах Е_см, до­биться еще большего выходного сигнала.

5. Временные диаграммы входного сигнала и преобразованного ко­лебания зарисовывается на одном листе с сохранением соответствия по времени; при этом достаточно одного периода огибающей. Обратите внимание на частоту заполнения. Также зарисовывается выходное на­пряжение при отключенном гетеродине.

6. Перестроив частоту диапазонного генератора на f_Г2, повторить п.5 при этой частоте гетеродина.

7. Характеристика преобразования U_np= (U_H) снимается после на­стройки при любой из двух частот гетеродина f_Г1 или f_Г2. Для этого на­пряжение «несущей» U_H берется от гнезда «AM» в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ, при этом регулятор «m» устанавливается в крайнее левое положение (модуляция отсутствует). Задавая напряжения «несущей» руч­кой «РЕГ. ВЫХОДА» в пределах от 0 до 1 В на входе сумматора (и, не меняя напряжение «гетеродина»), заполнить табл. 4.1, на основании ко­торой строится график U_np= (U_H).

Таблица 4.1

Характеристика преобразования частоты

Fпр=...кГц; FH=...кГц; fГ=…кГц; Есм=…В; UГ=1В
UH, В
Uпр,В

Отчет

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему преобразователя частоты;

2) исходную и аппроксимированную стокзатворную характеристи­ку полевого транзистора для соответствующего варианта;

3) таблицу исходных и экспериментальных данных; осциллограм­мы;

4) график амплитудной характеристики преобразователя, осцилло­граммы.

Контрольные вопросы

1. Какова роль полевого транзистора в схеме преобразователя часто-

ты.

2. Какая форма ВАХ нелинейного элемента наиболее удобна для преобразования частоты

3. Какова роль избирательной нагрузки в схеме преобразования час­тоты?

4. Какие требования предъявляются к нагрузке нелинейного элемен­та преобразователя частоты?

5. Изобразить схемы преобразователей частоты.

6. В каких устройствах и почему применяется преобразователь, транспонирующий (преобразующий) спектр сигнала?

7. Отличаются ли огибающие транспонированного и входного сиг­налов по форме?

8. Что такое характеристика преобразования преобразователя часто­ты? Как снять ее экспериментально?

9. Какую роль играют напряжение и частота гетеродина в процессе преобразования частоты?

10. Чем отличаются формы и спектры сигналов на входе и выходе преобразователя частоты?

11. Объясните происхождение «зеркальной» помехи при работе пре­образователя частоты.

Лабораторная работа №5

Умножение частоты.

Теория.

В каналах связи для передачи сигналов применяются линейные и нелинейные усилители. Достоинством линейных усилителей является минимальное искажение сигналов, а основным недостатком- низкая экономичность. С высоким КПД работают усилители, в которых усилительный элемент (лампа, транзистор) работает в нелинейном режиме. Среди нелинейных усилителей наибольшее распространение получили резонансные усилители. В таких усилителях нагрузкой является колебательный контур.

Анализ работы нелинейной схемы усиления затрудняется сложностью функции, выражающей используемую характеристику усилительного элемента. Задача решается путём аппроксимации реальных характеристик приближенными (идеализированными) выражениями, которые описываются более простыми функциями. Целесообразно применять кусочно-линейную аппроксимацию, т.е. заменить реальную характеристику a, b, c, d ломаной, состоящей из двух отрезков прямых линий af, fd (рис 5.1)

Рис. 5.1 Аппроксимация входной характеристики биполярного транзистора

В результате из рассмотрения выпадает нижний криволинейный изгиб bc характеристики, и коллекторный ток i_k принимает форму отсечённой синусоиды.

Полученные импульсы полностью определяются двумя величинами- максимумом коллекторного тока I_km транзистора и углом отсечки Q. Это фазовый угол, соответствующий половине той части периода, в течение которой в цепи коллектора протекает ток. Угол отсечки Q измеряется в градусах и лежит в пределах от 0 до π.

При косинусоидальном входном сигнале i_k как чётная функция времени содержит постоянную составляющую I_k0 и косинусоидальные составляющие первой, второй, третьей и т.д. гармоник с амплитудами I_k1m, I_k2m, I_k3m,...

… (1)

Если при данном угле отсечки увеличить максимум выходного импульса I_kmax , то пропорционально увеличится амплитуда каждой составляющей импульса, т.е. соблюдается прямая пропорциональность:

… (2)

Коэффициенты пропорциональности , которые показывают, какую часть от максимума импульса составляет амплитуда данной гармоники, зависят исключительно от угла отсечки Q. Рассмотренные коэффициенты пропорциональности введены в теорию расчёта нелинейных усилителей и умножителей частоты российским учёным А.И.Бергом.

В резонансном усилителе, работающем в нелинейном режиме, из множества гармоник коллекторного тока, обычно, полезной является первая (основная). На частоту первой гармоники и настраивается колебательный контур.

Можно, однако, возникающие в системе колебания высших гармоник использовать для преобразования частоты подводимого сигнала в k-раз большую частоту , где k- целое число >1. Для этого, во- первых, в составе тока должны быть достаточно ярко выражена k-ая гармоника и, во- вторых, выходной колебательный контур должен быть настроен на частоту этой гармоники. Тогда для всех частот, кроме частоты , параллельный контур будет представлять малое сопротивление. Практически напряжение на контуре будет содержать колебания одной частоты .

Для качественного выделения необходимой гармоники следует правильно выделять угол отсечки Q . Из графика зависимости коэффициентов Берга от угла отсечки Q видно, что при Q=0 все коэффициенты равны нулю. Это понятно: когда нет коллекторного тока, нет и его составляющих. С увеличением угла Q от 0⁰ до 90⁰ коэффициент растёт до 0.319; - до 0.5; сначала растёт (до 0.28 при Q=60⁰),затем падает до 0.21; достигает максимальной величины, равной 0.19 при Q=40⁰, и уменьшается до нуля. Следует иметь ввиду, что угол отсечки Q подбирается величиной напряжения. Если во входной цепи усилительного элемента.

Получение большего значения коэффициента умножения K требует работы с очень малыми углами отсечки. При малых величинах угла отсечки Q даже наибольшие значения малы и поэтому при данном максимальном значении тока коллектора транзистора I_{k max} интенсивность соответствующей гармоники I_{k kmax} очень мала.

При работе очень кратковременными выходными импульсами (Q 0), оказывается возможным выделение, практически любой из гармоник почти одинаковой интенсивности, что находит практическое применение в специальной (в том числе измерительной) аппаратуре. Не следует только забывать, что амплитуда каждой из гармонических составляющих очень мала по сравнению с максимальным значением тока. И это не зависит от того, что используется в качестве усилительного элемента- электронная лампа или транзистор. Так, например, при Q=1⁰ коэффициент .

Цель работы

Изучение процесса умножения частоты. Получение оптимального режима.

Схема работы и измерительная аппаратура

Рассмотрена в лабораторной работе 2.

Домашнее задание

1. Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе материал по амплитудной модуляции.

Рис.5.1 Выбор параметров входного сигнала для заполнения таблицы 5.1

2. Аппроксимируйте сток- затворную характеристику, соответст­вующую Вашему стенду, кусочно-линейной и кусочно-параболической функциями.

3. Рассчитайте амплитудную характеристику умножителя частоты одним из двух способов по указанию преподавателя:

3.1. При постоянном значении максимального значения импульса тока (I_max⁼const) используйте метод угла отсечки, основанный на коэф­фициентах для кусочно-линейной аппроксимации. В качестве ру­ководства к расчету используйте п. 3.1 методических указаний к данной работе и рис. 5.1. В табл. 5.1 вместо U_вых добавьте еще три строки: COS , и .

3.2. При постоянном значении амплитуды входного сигнала (U_{м вх}—const) использовать метод угла отсечки, основанный на коэффи­циентах — для кусочно-параболической аппроксимации. Значение U=1 В, а Е_см изменять в пределах 1—6 В. Значение п (номер гармоники) выбирать от 2 до 4.

4. Приготовьте заготовку отчета и внесите в нее результаты выпол­ненных расчетов.

Лабораторное задание

Исследуйте работу умножителя частоты при постоянной величине амплитуды импульса тока стока или при постоянной амплитуде входного сигнала (по указанию преподавателя).

Методические указания

1. Принципиальная схема макета изображена на рис. 5.1. Переклю­чатель «НАГРУЗКА» - в положении «LC», переключатель «R_ш» должен быть выключен (кнопка отжата). Напряжение смещения установить E_см=-2В.

Настройка в резонанс осуществляется путем изменения частоты встроенного генератора в диапазоне 12-16 кГц при U_вх 0,5 В. Достиже­ние резонанса фиксируется по максимальному напряжению в цепи стока (гнездо КТ2) либо по максимальному показанию микроамперметра стен­да, постоянно включенному в цепь индикатора резонанса. Значение резо­нансной частоты f₀ вносится в табл. 5.1.

2. Частота генератора гармонических колебаний f_вх должна быть в п раз меньше резонансной частоты контура, т.е. f_вх =f₀/ n, где п — кратность умножения; тогда n-я гармоника входного сигнала будет совпадать по частоте с частотой настройки контура f₀ . Точное значение U_вх определяют по максимуму выходного сигнала при подстройке частоты генератора вблизи расчетного значения f_вх.

3. Амплитудная характеристика умножителя частоты измеряется и рассчитывается одним из двух способов (по указанию преподавателя).

3.1. Для получения амплитудной характеристики умножителя часто­ты при I_max=const необходим предварительный расчет, в результате ко­торого заполняются первые три строки табл. 5.1.

Таблица 5.1

Амплитудная характеристика умножителя частоты (I_max ⁼ const)

n=...; f0=... кГц; fвх =f0/n=... кГц
Uвх,В	1,0	1,5	2,0	2,5	…
Umвх,В
Есм, В
Uвых , В
Icn,мА

Кратность умножения п (или номер выделяемой гармоники) выбира­ется такой же, как и при расчетах спектра в домашнем задании. Соответ­ственно устанавливаются частота входного сигнала и его величина U_вх (действующее значение). Вторая строка таблицы содержит амплитудные значения U_max.вх которые больше U_вх в , т.е. U_maxBX= U_вх . Третья строка таблицы рассчитывается так, чтобы при всех изменениях макси­мальное напряжение на затворе было постоянно равно нулю (см. рис. 5.1). Очевидно, что для этого смещение по модулю должно равняться ам­плитуде сигнала, т.е. Е_см = -U_{max вх}. При этом условии амплитуда им­пульса тока будет постоянной, но будет меняться угол отсечки 6 и, соот­ветственно, спектральный состав тока стока, в том числе и амплитуда n-й гармоники.

Для получения каждого значения U_вых (гнездо КТ2) необходимо ус­танавливать расчетные пары значений Е_см и U_BX из таблицы (причем сна­чала устанавливать E_см, затем U_вх) и, подстроив частоту генератора со­гласно п. 2. снять отсчет U_ВЫХ. Измерения U_вых продолжаются до тех пор, пока не будет найдено максимальное значение U_вых, которое соответст­вует оптимальному режиму умножителя частоты.

3.2. Для получения амплитудной характеристики умножителя часто­ты при U_вх =const следует установить на входе (гнездо КТ1) напряжение U_вх =1 В с частотой f_вх =f_o/n и, изменяя Е_см в пределах -(1,0-6,0) В с шагом 0,5 В, измерять выходное напряжение на контуре (гнездо КТ2). Значение n берется то же, что и при расчете домашнего задания. Перед снятием каждого отсчета U_вых рекомендуется подстраивать частоту гене­ратора, добиваясь максимума U_вых согласно п.2. Найти точное значение Е_см, при котором U_вых = U_{вых max}. Результаты представить в виде табл. 5.2.

Таблица 5.2

Амплитудная характеристика умножителя частоты (U_BX= const)

п =... ; f0=... кГц; fвх =f0/n=... кГц; Uвх =1 В
Eсм,B	-1,0	-1,5	-2,0
Uвых, В
Icn, мА

4. Амплитудные характеристики умножителя I_cn= (U_BX) для слу­чая 3.1 и 1_сп = ₂(Е_см) для случая 3.2 рассчитываются по данным двух по­следних таблиц:

,

где, R_э0 -эквивалентное сопротивление колебательного контура на часто­те резонанса (принять R_э0 =1 кОм).

Построить график (или ).

Временные диаграммы и спектры для оптимального режима наблю­даются и фиксируются для той пары значений Е_см и U_BX, при которой на­пряжение n-й гармоники U_вых было максимальным. Необходимо пред­ставить осциллограммы и спектры следующих сигналов (с сохранением масштаба по оси времени):

• входного напряжения U_BX(t) - гнездо КТ1;

• тока стока I_c(t) - при нажатой кнопке «R», гнезда КТ2;

• выходного напряжения U_BbIX(t) при нажатой кнопке «LC», гнезда КТ2, для двух случаев: шунт включен (кнопка R_ш нажата) и выключен (кнопка R_ш отжата). По временной зависимости I_с(t) находят значение угла отсечки . Эта величина находится из сравнения отрезков, соответствующих периоду колебания (360⁰) и ширине основания импульса тока (2 ).

5. Временные диаграммы процесса умножения частоты при другом значении п. Не изменяя установленных ранее значений Е_см и U_вх, настро­ить частоту генератора на получение гармоник с более высоким номером (п=3...6, по указанию преподавателя). Добиться максимума U_ВЬ1Х путем небольшой подстройки Е_см. Зафиксировать осциллограммы и спектры процессов U_вх(t) I_c(t) и U_вых(t) при отключенном шунте.

Отчет

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему исследованных устройств;

2) исходную и аппроксимированную сток- затворную характеристи­ку полевого транзистора для соответствующего варианта;

3) таблицы исходных, расчетных и экспериментальных данных;

4) графики амплитудных характеристик ₁ и ₂, а также осцилло­граммы и спектры исследованных процессов.

Контрольные вопросы

1. Изобразить схему умножителя частоты. Пояснить принцип ее ра­боты.

2. С какой целью применяются умножители частоты?

3. Как выбрать оптимальный режим работы усилителя?

4. Как выбрать оптимальный режим работы умножителя частоты?

5. Какова роль нелинейного элемента в схеме умножителя частоты?

6. Какова роль избирательной нагрузки в схеме умножителя часто­ты?

7. Как получить осциллограмму тока, протекающего через колеба­тельный контур?

8. Какое влияние оказывает выбор напряжения смещения на работу умножителя частоты?

9. Какое влияние и почему оказывает добротность контура нагрузки на качество работы умножителя частоты?

10. Что такое коэффициент гармоник?

Лабораторная работа №6

Амплитудная модуляция.

Теория.

Модулированные сигналы различаются по виду переносчика (несущей) и по его модулированным параметрам. В качестве переносчика широко используются гармонические колебания, периодическая последовательность импульсов и узкополосный случайный процесс. Каждый из этих переносчиков характеризуется определённым числом параметров. Параметры, изменяющиеся во времени под воздействием передаваемого сообщения, называются информационными, т.к. в их изменениях заложена передаваемая информация. Параметры, которые остаются неизменными, являются постоянными признаками сигнала, они могут быть использованы на приёме для отличия сигнала от помех. Во многих случаях модулированный сигнал можно представить как произведение двух функций.

… (1)

где, - функция, представляющая несущее колебание (переносчик), а - модуляционная функция, выражающая воздействие передаваемого сообщения U(t) на несущую f(t). При аналитическом представлении сигнала, его действительная и мнимая части соответствуют реально существующему модулированному сигналу, а его модуль определяет огибающую. В случае, когда несущей является гармоническое колебание , модуляционная функция выражает воздействие сигнала U(t) на амплитуду несущей.

Спектр модулированного колебания (1), согласно теореме о спектре произведения определяется свёрткой

… (2)

где, - величина, характеризующая ширину спектра модулирующего сигнала.

Процесс модуляции приводит к сложному преобразованию спектра сигнала.

При амплитудной модуляции:

… (3)

где, m- коэффициент модуляции.

Модулированный сигнал запишется:

… (4)

Это выражение даёт представление реального АМ сигнала.

… (5)

Спектр сигнала в общем случае определяется как преобразование Фурье от S(t):

Учитывая, что , и получим

… (6)

где, спектр передаваемого сообщения. Отсюда видно, что при АМ происходит перенос спектра сообщений на частоту . Ширина спектра сигнала F при АМ в два раза шире спектра сообщения F_max , т.е. ∆F= 2F_max.

При модуляции одним током, когда U(t)=cosΩt,

… (7)

Из полученного выражения (7) следует, что амплитуда модулированного сигнала изменяется от до , а мощность сигнала соответственно от ,до где, - мощность несущего колебания. Средняя мощность АМ сигнала равна:

… (8)

При m=1 Р_max=4P_нес и P_ср = 1,5Р_нес; отношение средней мощности к максимальной равно 0,375. Это соотношение указывает на существенный недостаток амплитудной модуляции - плохое использование мощности передатчика.

Анализируя процесс амплитудной модуляции можно сделать выводы:

1. Амплитудная модуляция возможна, если модулируемый усилитель работает в нелинейном режиме.

2. Весь спектр АМ колебаний получается за счёт умножения двух функций: и . Следовательно, процесс амплитудной модуляции заключается в перемножении входных напряжений, имеющих несущую частоту и частоту модулирующего сигнала .

3. В спектре выходного тока модулируемого усилителя содержится много лишних составляющих. Значит, нагрузкой усилителя должен быть фильтр (колебательный контур) с полосой пропускания, равной ширине спектра выходного радиосигнала схемы модуляции.

Цель работы

Исследование процесса амплитудной модуляции, получение стати­ческой модуляционной характеристики и выбор оптимального режима работы модулятора.

Схема работы и измерительная аппаратура

В работе используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ. Принципи­альная схема исследуемой цепи приведена на рис. 6.1. С помощью пере­ключателя «R V LC» выбирается колебательный контур, а для снижения его добротности сопротивление R_ш должно быть включено. В качестве источника несущего колебания используется встроенный генератор зву­ковой частоты, подключаемый к входу 1. Источник низкочастотного модулирующего колебания с частотой 1 кГц должен быть подключен к входу 2 сумматора.

В качестве измерительных приборов используются вольтметр, ос­циллограф и ПК в режиме анализатора спектра. Наблюдение процессов на затворе и стоке полевого транзистора осуществляется на гнездах КТ1 и КТ2 соответственно.

Домашнее задание

1. Изучите по конспекту лекций и литературе основные вопросы те­мы «Амплитудная модуляция», обратив особое внимание на детектирование АМ колебаний.

2. Оформите заготовку отчета.

Лабораторное задание

1. Получите статическую модуляционную характеристику устройст­ва.

2. Определите величины напряжений, необходимых для получения колебаний с наибольшей глубиной модуляции без заметных искажений.

3. Исследуйте форму и спектр колебаний в оптимальном режиме, а также при различных отклонениях от этого режима.

Методические указания

1. Настройка в резонанс предшествует всей работе. Она осуществля­ется при подаче на один из входов сумматора напряжения около 0,5 В от встроенного звукового генератора (12—16 кГц). Достижение резонанса фиксируется либо по максимальному отклонению стрелки микроампер­метра стенда (встроенный индикатор резонанса) либо по максимуму вы­ходного напряжения на гнездах КТ2. Точное значение резонансной час­тоты f₀ вносится в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Статическая модуляционная характеристика

f0=...кГц; U =...В; U = 0
Eсм, В
Uвых, В
Ic1, мА

2. Статические модуляционные характеристики I_c1= (E_CM) снимают­ся на резонансной частоте контура при отсутствии модулирующего сиг­нала (U 0) для двух значений высокочастотного напряжения на выходе сумматора: U =0,5 В; U =1,0 В. Изменяя напряжение смещения с шагом 0,5 В, измеряют выходное напряжение в КТ2. Данные эксперимента в обоих случаях вносятся в две таблицы, аналогичные приведенной выше. Первая гармоника тока стока рассчитывается по формуле:

I_c1=U_вых/R_э0

где:

R_э0 ⁼ 1 кОм - сопротивление контура на резонансной частоте.

По таблицам на одном графике строятся обе зависимости I_c1= ₁(E_CM) при U =0,5 В и I_c1= ₂(E_CM) при U = 1,0 В.

3. Оптимальный режим модулятора находится в два этапа. На пер­вом этапе выбирается статическая модуляционная характеристике с наи­более протяженным линейным участком, на втором - определяется по­ложение рабочей точки на этой характеристике. По этой же характери­стике определяется максимальная амплитуда низкочастотного модули­рующего напряжения U_{m max} так, чтобы модуляция осуществлялась без заметных искажений.

Соединить гнездо «1 кГц» блока ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ с вхо­дом сумматора и ручкой регулятора выхода установить найденное значение U_{m max} помня, что вольтметры переменного напряжения показыва­ют действующее значение .

Установить смещение Е_{см орt}, соответствующее середине линейного участка кривой I_c= (E_CM) . Установить на входе 1 сумматора выбранное значение U (0,5 В или 1 В). Найденные величины заносятся в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Оптимальный режим модулятора

fо, кГц	Eсм opt, B	U ,B	, B	Rш
				Вкл.

Внимание!

В данном (оптимальном) режиме модулятор будет использован сно­ва в следующей лабораторной работе как источник амплитудно-модулированных сигналов. В связи с этим необходимо четко зафиксиро­вать условия эксперимента и схему соединений.

4. Временные диаграммы и спектры на входах и выходе модулятора снимаются для оптимального режима в следующем порядке (масштаб по оси времени сохраняется неизменным):

• входной сигнал низкой частоты (гнездо 2);

• входной сигнал несущей частоты (гнездо 1);

• суммарный входной сигнал (гнездо КТ1);

• выходное напряжение (гнездо КТ2);

• форма тока стока I_c(t) (гнездо КТ2, кнопка «R» нажата);

• выходное напряжение при высокой добротности контура (гнездо КТ2 при нажатой кнопке «LC» и отжатой «R_ш»).

Одновременно с осциллограммами зарисовываются спектры всех перечисленных сигналов с сохранением масштаба по оси частоты. По по­лученным осциллограммам определяется и фиксируется в табл. 6.3 глу­бина модуляции т.

Таблица 6.3

Значения глубины модуляции

Rш	Глубина модуляции, т
	по спектру	по временной диаграмме
Вкл.
Выкл.

5. Диаграммы искаженных колебаний на выходе вне оптимального режима наблюдаются и зарисовываются при правильно выбранной на­грузке: включено «LC» и « R_ш», но при напряжениях, отличных от най­денных в п. 3:

E_см = E_см opt + 1 В;

E_см = E_см opt -1 В;

E_см = E_см opt, но U

6. Модуляция сложным сигналом производится при действии двух низкочастотных сигналов (1 и 2 кГц), подаваемых из блока «ИСТОЧНИ­КИ» на входы 2 и 3 сумматора макета. Для сохранения оптимального ре­жима модулятора каждый из подаваемых сигналов должен соответство­вать половине U . Зарисовать осциллограммы и спектры на входе мо­дулятора (гнездо КТ1), для чего следует отключить источник «несущей» от входа 1, а также на выходе (гнездо КТ2 при восстановлении сигнала на входе 1).

Отчет

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему исследования;

2) сток- затворную характеристику полевого транзистора для Ваше­го стенда;

3) таблицы экспериментальных данных;

4) график у₁(Е_см) и у₂ (Есм), а также осциллограммы и спектры ис­следованных процессов.

Контрольные вопросы

1. Что такое амплитудная модуляция? Запишите аналитическое вы­ражение AM сигнала.

2. Какая форма ВАХ нелинейного элемента является наилучшей для получения AM сигналов?

3. Что такое глубина модуляции?

4. Как измерить глубину модуляции по временной диаграмме AM сигнала или по спектру?

5. Как связаны между собой ширина спектра модулирующего и ши­рина спектра модулированного сигнала при AM?

6. Как распределяется мощность между составляющими AM сигна­ла?

7. Изобразите простейшую схему амплитудного модулятора.

8. Какова роль нагрузки амплитудного модулятора?

9. Что такое статическая модуляционная характеристика? Как по статической модуляционной характеристике выбрать режим работы мо­дулятора?

10. Как по статической модуляционной характеристике определить максимальную девиацию амплитуды? Максимальную глубину модуля­ции?

11. Изобразите спектр сложного AM сигнала, в котором модули­рующий сигнал состоит из первых трех гармоник частоты F=1 кГц.

12. Изобразите векторные диаграммы для сигналов обычной AM, ба­лансной AM, однополосной AM.

13. Дайте определение балансной модуляции (БМ). Изобразите вре­менную и спектральную диаграммы БМ сигнала с тональной модуляци­ей.

14. Изобразите простейшую схему балансного модулятора.

15. Дайте определение однополосной модуляции. Изобразите вре­менную и спектральную диаграммы сигнала однополосной модуляции при модуляции одним гармоническим колебанием.

16. Изобразите схему для получения однополосной модуляции.

Лабораторная работа №7

Детектирование АМ колебаний.

Теория.

Амплитудный детектор (демодулятор), предназначен для преобразования АМ сигналов в напряжение, соответствующее огибающей этого сигнала.

В процессе детектирования происходит значительное изменение спектра; из суммы гармонических колебаний высоких (несущей и боковых) частот получаются низкочастотные составляющие модулирующего сигнала. Поэтому, детектором может быть только нелинейный или параметрический четырёхполюсник.

Амплитудный детектор, в большинстве случаев, выполняется на основе диода, работающего в нелинейном режиме. Эквивалентная схема амплитудного детектора с последовательным включением полупроводникового диода показана на рис. 7.1,а. Здесь q_н и с_н –проводимость и ёмкость нагрузки, U_вх- напряжение высокой частоты на входе детектора.

Рис. 7.1 Эквивалентные схемы диодного детектора

При малых коэффициентах глубины модуляции m собственно детектор можно заменить четырёхполюсником (рис.7.1, б), описываемым системой уравнений.

где mU_вх0-амплитуда огибающей высокочастотного напряжения; I ₀- приращение входного тока высокой частоты, соответствующее изменению амплитуды огибающей входного напряжения; U_H, I_H- амплитуды напряжения и тока низкой частоты (частоты модуляции) в выходной цепи детектора; q_д- эквивалентные проводимости детектора. Эквивалентные проводимости детектора зависят от выбора положения начальной рабочей точки детектора и уровня входного сигнала. Для слабых сигналов, выбирая рабочую точку при U=0 эквивалентные проводимости детектора можно выразить формулами

(2)

Здесь отрицательный знак взаимных проводимостей принят в соответствии с положительными направлениями токов и напряжений на выводах четырёхполюсника.

Основными характеристиками детекторного каскада являются коэффициент передачи напряжения, который в случае детектирования модулированного напряжения определяется выражением

… (3)

и входная проводимость детектора для высокой частоты .

Коэффициент передачи напряжения можно вычислить по матрице эквивалентных проводимостей детектора в уравнении (1).

… (4)

где - проводимость нагрузки.

Если проводимость нагрузки для частоты модуляции имеет комплексный характер, то будет определять частотную характеристику детектора .

Напряжение низкой частоты на нагрузке детектора

… (5)

При слабых сигналах детектор на полупроводниковом диоде является квадратичным.

Входная проводимость детектора для огибающей, при слабых сигналах, определяется по формуле:

… (6)

При сильных сигналах (линейное детектирование) эквивалентные проводимости детектора записываются с учётом обратной проводимости диода:

… (7)

где, qi- крутизна прямой ветви вольт- амперной характеристики;

Q-угол отсечки входного напряжения.

Если выполняется условие , то приближенно

… (8)

следовательно, коэффициент передачи детектора при линейном детектировании

… (9)

Относительный уровень сигнала, при котором наступает линейное детектирование оценивается коэффициентом чувствительности детектора

… (10)

При детектировании модулированного сигнала полезная входная мощность

… (11)

а мощность сигнала низкой частоты, выделяемая в полезной нагрузке детектора,

… (12)

Следовательно, формула для коэффициента передачи мощности детектором

Основной особенностью режима работы детекторного каскада, является большая величина проводимости полезной нагрузки детектора, которой является входная проводимость первого каскада усилителя низкой частоты. Между тем, при увеличении проводимости нагрузки детектора коэффициент передачи снижается и увеличивается его входная проводимость. Увеличение входной проводимости детектора затрудняет её согласование с выходной проводимостью предыдущего каскада и приводит к уменьшению напряжения высокой частоты на входе детектора, что нежелательно в связи с уменьшением К_Д и повышением уровня нелинейных искажений.

Цель работы

Исследование работы и характеристик диодного детектора.

Схема работы и измерительная аппаратура

В работе используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ. Схема ис­следуемой цепи приведена на рис. 7.2. Переключатель «С_н» дает возмож­ность изменять в широких пределах постоянную времени RC - цепи (на­грузка детектора). Изображенный на схеме микроамперметр находится в правой части приборной панели наверху стенда.

В качестве источника AM сигнала с относительно низкой частотой несущего колебания (f_H1=13...15 кГц) используется модулятор, изученный в предыдущей лабораторной работе и настроенный в соответствии с экс­периментальными данными оптимального режима. Выход амплитудного модулятора (гнездо КТЗ) является входом детектора.

Рис. 7.2. Схема амплитудного детектора

В качестве источника AM сигнала с повышенной частотой несущего колебания используется генератор, расположенный на блоке ИСТОЧ­НИКИ СИГНАЛОВ (f_н2⁼110 кГц). При использовании этого генератора он также присоединяется ко входу детектора (гнездо КТЗ), но при этом нагрузкой в модуляторе следует выбрать «R». (Кнопка включения рези­стора «R» одновременно отключает емкость контура (на схеме макета это не показано) для того, чтобы исключить шунтирующее действие расстро­енного низкочастотного контура ( 15 кГц) на генератор высокочастот­ного сигнала (110 кГц).

Измерительные приборы подключаются к входу детектора или к выходу (гнездо КТ4). Используются вольтметр, осциллограф и анализа­тор спектра (ПК).

Домашнее задание

1. Изучите по конспекту лекций и литературе основные вопросы те­мы «Частотная модуляция».

2. Оформите заготовку отчета.

Лабораторное задание

1. Наблюдайте временные диаграммы и спектры в процессе детекти­рования колебаний с разными постоянными времени нагрузки детектора.

2. Изучите характеристику детектирования при малых и при боль­ших амплитудах входного сигнала.

Методические указания

1. Временные диаграммы и спектры при детектировании наблюда­ются при подаче AM колебаний с пониженной частотой несущего коле­бания. Для этого собрать схему модулятора и установить оптимальный режим по данным предыдущей лабораторной работы. Друг под другом с сохранением масштаба зарисовываются осциллограммы и спектры:

• модулированного колебания на входе детектора (гнездо КТЗ);

• напряжения на выходе детектора при всех значениях емкости на­грузки С_н (О, 3, 15, 30, 300 нФ).

2. Задания п. 1 повторяются (без анализа спектров) при действии AM колебаний с повышенной частотой несущего колебания (110 кГц). Для этого к гнездам КТЗ присоединяется внутренний источник AM колеба­ний; амплитуда несущей выбирается равной 1 В при m=0,6...0,8. Пере­ключатель «С_н» установить вначале в положение «О». Переключатель R или LC (нагрузка полевого транзистора) установить в положение «R».

3. Детектирование AM сигналов с глубиной модуляции т>1. Сохра­няя схему измерений п. 2, увеличить до максимума глубину модуляции (ручку «m» — в крайнее правое положение).

Зарисовать осциллограммы на входе и выходе детектора при С_н=3 нФ.

4. Характеристика детектирования I₀(U ) снимается при действии немодулированных колебаний, получаемых от встроенного генератора с частотой f_n1 (m=0). Переключатель С_н установить в положение 15 нФ. Ток детектирования измеряется внутренним микроамперметром при из­менении U в пределах до 1 В. Данные измерений заносятся в табл. 7.1, при этом особое внимание надо обратить на выявление общего вида ха­рактеристики и, в частности, ее начального участка (определить U при одном, двух и трех делениях шкалы микроамперметра). Для более точно­го измерения входных напряжений в этом пункте желательно использо­вать внешний милливольтметр.

Таблица 7.1

Характеристика детектирования

FH=... кГц; m=0; Сн=15 нФ
U , B
I0, мкА

Отчет

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему исследования;

2) таблицы экспериментальных данных;

3) график характеристики детектирования, а также осциллограммы и спектры исследованных процессов.

Контрольные вопросы

1. Что такое детектирование? Поясните процесс детектирования AM сигнала, пользуясь временными и спектральными представлениями.

2. Изобразите схему коллекторного детектора на транзисторе.

3. Какова характеристика детектирования диодного детектора при подаче слабых сигналов?

4. Каковы условия линейного детектирования в схеме диодного де­тектора?

5. Изобразите схему диодного детектора. Поясните работу диодного детектора соответствующими временными диаграммами.

6. С каким углом отсечки работает диод в схеме диодного детектора? От чего зависит величина этого угла?

7. Из каких условий выбирается постоянная времени нагрузки при детектировании AM сигналов?

8. Можно ли детектировать диодным детектором:

• AM колебания при т>1

• AM колебания с подавленной несущей;

• колебания с однополосной модуляцией?

9. Что такое синхронный детектор и в каких случаях он может быть использован?

10. Как детектировать колебания с полярной модуляцией?

11. Чем отличается диодный детектор от выпрямителя?

12. Как экспериментально получить форму тока, протекающего че­рез диод в схеме детектора AM колебаний?