Детектирование амплитудно-модулированных колебаний

Цель работы: изучить и проанализировать процессы при квадратичном и линейном режимах демодуляции (детектирования) амплитудно-модулированных колебаний.

Общие положения

Детектирование колебаний заключается в восстановлении управляющего сигнала, который в неявной форме содержится в модулированном высокочастотном (ВЧ) колебании. По своему назначению детектирование является процессом, обратным процессу модуляции.

В амплитудном детекторе (АД) осуществляется выделение огибающей амплитудно-модулированного сигнала с одновременным устранением несущего колебания. Роль несущих колебаний могут выполнять как гармонические колебания, так и последовательности радио- или видеоимпульсов.

В состав любого детектора входит нелинейный элемент для образования спектральных компонент, соответствующих модулирующей частоте, и линейный фильтр, для выделения компонент, соответствую­щих спектру модулирующих частот, и устранения компонент, соот­ветствующих спектру несущего колебания и его гармоник. Таким обра­зом, функциональная схема детектора может быть представлена в виде последовательно соединенных нелинейного элемента и фильтра нижних частот. В качестве нелинейных элементов используют полупро­водниковые диоды, а также биполярные и полевые транзисторы. Роль фильтра, как правило, выполняет цепь, состоящая из резистора и шун­тирующей его емкости. В настоящее время элементы детектора чаще реализуют в одной микросхеме.

На рис. 4.1 показана схема последовательного амплитудного де­тектора, а на рис. 4.2 - параллельного детектора.

Схема параллельного амплитудного детектора дополнена фильтром нижних частот .

Рис. 4.1. АД последовательного Рис. 4.2. АД параллельного

типа. типа.

Постоянная времени детектора выбирается в соответствии с неравенством:

(1 / f₀) << RC << (1 / f_м). (4.1)

Левая часть этого неравенства характеризует способность детектора отфильтровывать высокочастотные составляющие детектируемого сигнала, а правая часть отображает требование воспроизведения формы низкочастотного модулирующего колебания.

В данной работе в качестве нелинейного элемента используется диод. Исследуемая схема последовательного детектора может работать в двух различных режимах, которые определяются выбором положения рабочей точки на ВАХ диода.

В первом случае рабочая точка выбирается на нижнем изгибе ВАХ, что соответствует детектированию слабых сигналов. Поскольку начальный участок ВАХ диода хорошо аппроксимируется полиномом второй степени, то такой режим детектирования называется квадратичным.

Во втором случае производится детектирование сильных сигналов. При этом используется линейный участок ВАХ диода и режим детектирования называется линейным.

При квадратичном режиме коэффициент гармоник К_г = М / 4, т.е. прямо пропорционален коэффициенту модуляции М.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему 4.1, моделирующую работу амплитудного детектора.

Схема 4.1.

2. Для моделирования режима квадратичного детектирования установить параметры элементов:

2.1. Генератор АМ-колебаний (AМ source) Е:

- амплитуда сигнала VC = 0.1 В;

- несущая частота (FC) f₀ = 10N кГц;

- модулирующая частота (FM) f_м = 100N Гц;

- коэффициент модуляции М = 0.3.

2.2. Диод VD взять типа D1N1200C (из библиотеки программы в меню “Models”, “motorol1”).

2.3. Сопротивление R = 10 кОм.

2.4. Конденсатор С выбрать из двойного неравенства (4.1).

3. Перенести осциллограмму полученного колебания (с учётом постоянной составляющей сигнала) в отчёт.

4. С помощью пунктов меню “Analysis” → “Fourier” получить спектральную диаграмму на выходе схемы. Для этого перед началом спектрального анализа в меню “Fourier” установить:

- номер точки выходного узла схемы в окне “Output node” (заранее определяется так: подвести курсор к выходному узлу схемы, нажать правую кнопку мышки, войти в меню “Component properties”, в открывшемся окне “Node ID” прочитать номер узла);

- в окне “Fundamental frequency” - шаг частоты для анализа, равный частоте модулирующего сигнала f_м;

- число гармоник “Number harmonics” равное 15.

5. Перенести спектрограмму в отчёт. Записать полученный коэффициент нелинейных искажений (Total harmonic distortion).

6. Повторить п.п. 3 - 5 для значений коэффициента модуляции М = 0.5, 0.8 и 1.0.

7. Результаты свести в таблицу.

М	Кг квадр , %	Кг линей , %
0,3
0,5
0,8
1,0

8. Проанализировать полученные результаты.

9. Для моделирования режима линейного детектирования увеличить амплитуду генератора АМ-колебаний Е до 1 В.

10. Повторить п.п. 3 – 8.

Содержание отчёта

1. Исследуемые схемы.

2. Результаты вычислений и измерений.

3. Формы сигналов.

4. Графики полученных диаграмм.

5. Результаты проведенного анализа и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое демодуляция (детектирование) сигнала?

2. Каков принцип детектирования АМ-колебаний?

3. Что такое квадратичный режим детектирования АМ-колебаний?

4. Что такое линейный режим детектирования АМ-колебаний?

5. Какие недостатки и преимущества квадратичного режима детектирования?

6. Какие недостатки и преимущества линейного режима детектирования?

7. Поясните результаты измерений, сведённые в таблицу пункта 7.

8. Поясните критерий выбора постоянной времени RC цепи для линейного режима детектирования.

9. Как в дальнейшем устранить постоянную составляющую сигнала на выходе АД?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5