Методические указания к выполнению лабораторной работы «Формирование ЧМ колебаний в LC и кварцевых генераторах с помощью варикапов». Бочаров М.И

Составитель канд. техн. наук М.И. Бочаров

УДК 621.396.61

ББК 32.84

Методические указания к выполнению лабораторной работы «Формирование ЧМ колебаний в LC и кварцевых генераторах с помощью варикапов» по дисциплине «Устройства генерирования и формирования радиосигналов» специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы» и дисциплине «Радиопередающие устройства» направления 11.03.01 «Радиотехника» профиля «Радиотехнические средства передачи, приема и обработки сигналов» очной и заочной форм обучения /

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. М.И. Бочаров. Воронеж, 2017. 25 c.

В работе содержатся краткие теоретические сведения по методам построения формирователей радиосигналов, принципиальные схемы устройств, на основе которых осуществляется их реализация, а также домашнее и лабораторное задания, методические указания для их выполнения и необходимые справочные данные, а также контрольные вопросы для допуска к лабораторной работе и ее защиты.

Предназначено для студентов третьего курса очной и заочной форм обучения.

Табл. 6. Библиогр.: 6 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. А.В. Останков

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.Г. Остапенко

Печатается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

©ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017

1.ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАБОТЕ

1.1.Цель работы: изучить методы осуществления частотной модуляции в LC и кварцевых автогенераторах с помощью варакторов (варикапов). Приобрести навыки по схемотехническому анализу и расчету принципиальных схем частотномодулированных генераторов; изучить методику

параметрической и кварцевой стабилизацией частоты.

1.2.При выполнении лабораторной работы используются следующие приборы и оборудование: лабораторная установка, на переднюю панель которой выведены гнезда для подключения измерительной аппаратуры: измерителя модуляции; генератора сигналов низкочастотного; частотомера электронно-счетного, измерителя нелинейных искажений (осциллографа).

1.3.В качестве лабораторной установки используется стенд, в который вмонтированы формирователи радиосигналов, выполненные на основе LC и кварцевого автогенераторов. Частотная модуляция осуществляется с помощью варикапов.

На передней панели лабораторной установки имеется переключатель рода работы, через который подается напряжение питания на испытуемые формирователи сигналов: «ЧМ» – частотно-модулированный LC-генератор; «ЧМ КВ» – частотно-модулированный кварцевый генератор. Для снятия статических модуляционных характеристик исследуемых генераторов, а также для установления начального смещения

на варикапах используются потенциометры с надписями «U0 ЧМ» и «U0 ЧМ КВ». Напряжение смешения LC ЧМ генератора

контролируется стрелочным вольтметром, расположенным на передней панели стенда. Два других прибора предназначены, соответственно, для измерения напряжения источника питания и постоянной составляющей тока коллектора исследуемого генератора. Для подачи модулирующего сигнала с низкочастотного генератора подключение частотомера и измерителя модуляции к испытуемому формирователю предусмотрены соответствующие гнезда. Напряжение смещения на варикапах кварцевого ЧМ генератора контролируется высокоомным вольтметром, подключаемым к гнездам «Uo КВ».

2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

Примечание 1: в табл. 1 приведены следующие обозначения: fГ – генерируемая частота; ρ – волновое сопротивление контура; RН – сопротивление нагрузки; р – коэффициент включения варикапа; KОС – коэффициент обратной связи автогенератора.

2.3. Произвести электрический расчет LC частотномодулированного генератора: девиацию частоты, сдвиг средней частоты, коэффициент нелинейных искажений. Исходные данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Примечание 2: в табл. 2 введены следующие обозначения: ЕТ – напряжение смещения на варикапе; РМ – коэффициент включения варикапа; UF – амплитуда модулирующего сигнала.

2.4. Произвести расчет технических характеристик частотно-модулированного кварцевого автогенератора: девиации частоты, коэффициента нелинейных искажений, сдвига средней частоты.

Исходные данные для расчета приведены в табл. 3.

3

Таблица 3

Примечание: в табл. 3 обозначено: f1 – частота последовательного резонанса кварцевого резонатора; С1 – динамическая емкость кварцевого резонатора; Статическую емкость кварцевого резонатора Со при расчетах следует принять равной 2…8 пФ.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ

3.1.При выполнении п. 2.1 необходимо ознакомиться

сосновными методами формирователя частотномодулированного сигнала, приведенными в приложении 1 и [1…3]. При этом необходимо уяснить суть и назначение основных характеристик, используемых для оценки технических параметров частотного модулятора: статической модуляционной характеристики (СМХ), динамической модуляционной характеристики (ДМХ), частотнодинамической модуляционной характеристики (ЧДМХ), а

4

также причин появления паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) и паразитной частотной модуляции (ПЧМ).

3.2. При выполнении п. 2.2 необходимо, с использованием теоретических сведений по частотной модуляции LCавтогенератора [2, 3] и кварцевого генератора c помощью варикапа [3.4], уяснить каким образом влияют параметры варикапа, колебательной системы LCавтогенератора и кварцевого резонатора на девиацию частоты и нелинейные искажения.

Кроме этого, необходимо сделать схемотехнический анализ принципиальных схем устройств, используемых в лабораторной установке, приведены в приложении 2. и приложении 3.

3.3.При выполнении п. 2.3 необходимо номиналы элементов контура LC-автогенератора определяются по расчетным соотношениям, приведенным в [3…5]. Для кварцевого ЧМ генератора в [3,4] и приложении 3.

3.4.При выполнении п. 2.4 и 2.5 необходимо

определить: девиацию частоты Δfm, коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике КF2 и сдвиг центральной (несущей) частоты fF по выбранному типу

варикапа (приложение 4) и кварцевого резонатора (приложение 5).

Технические параметры частотно-модулированного LCавтогенератора с емкостной связью варикапа с контуром (рис. 2.1) для резкого p-n перехода с коэффициентом нелинейности γ = 0.5 определяются с помощью расчетных соотношений приведенных в приложении 2.

Известно несколько принципов построения схем кварцевых автогенераторов (приложение 3). На практике наибольшее распространение получила схема с кварцем в контуре [1…4], обладающая наибольшей управляемостью. Один из возможных вариантов схемы используется в лабораторной установке (приложение 3).

5

4.ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

4.1.Ознакомиться с назначением органов управления лабораторной установки, с используемой измерительной аппаратурой на рабочем месте и ее техническими характеристиками. В отчете привести перечень необходимых для исследования приборов и их основные технические характеристики.

4.2.Определить среднюю частоту автоколебаний LCавтогенератора.

Переключатель рода работы поставить в положение

Изменяя ручкой «U0 ЧМ» напряжение смешения U0 от минимального до максимального, определить минимальную fmin и максимальную fmax генерируемые частоты.

По полученным результатам найти среднюю частоту f0 = (fmin +fmax)/2 автоколебаний и соответствующее ей значение напряжения смещения U0ср.

4.3. Снять статическую модуляционную характеристику Δf=φ(U0).

Изменяя напряжение смещения на варикапе с шагом 1…1.5 В, произвести измерения выходной частоты fвых. Результаты измерений занести в табл. 4.

Таблица 4

Uo, B

fвых, кГц

Δf, кГц

По полученным результатам определить значения Δf=fвых-f0, которые также занести в табл. 4. Построить график зависимости Δf=φ(U0). По полученной зависимости определить: линейный участок СМХ, напряжение смещения

6

U0ср, соответствующее середине линейного участка; напряжения смещения Uomin и Uomax, соответствующие появлению загибов на СМХ.

4.4. Снять динамическую модуляционную характеристику Δfд= ψ(UF).

К гнездам «ЗГ» лабораторной установки подключить генератор сигналов низкочастотный, а к ее выходным зажимам – измеритель частотной девиации. К выходу измерителя девиации подключить осциллограф или измеритель нелинейных искажений для контроля качества модуляции.

Установить на лимбе низкочастотного (звукового) генератора частоту F=1000 Гц, а напряжение смещения на варикапе испытуемого генератора, U0=Ет, соответствующее значению, полученному в п.4.3. Изменяя уровень напряжения на выходе низкочастотного генератора от нуля до значения, соответствующего появлению нелинейных искажений синусоидального сигнала ( около двух вольт), наблюдаемого на экране осциллографа. По искажению формы синусоиды (при использовании измерителя нелинейных искажений его искажения должны составлять 5…10 %), произвести замеры величины девиации частоты. Всего должно быть проведено 7…10 замеров. Результаты измерений занести в табл.5.

Таблица 5

UF

Δfд, кГц

С использованием полученных результатов построить зависимость Δfд= ψ(UF). По полученным данным определить максимально допустимую амплитуду UFmax звукового сигнала, при которой появляются нелинейные искажения на ДМХ.

4.5. Снять частотно-динамическую модуляционную характеристику Δfд= γ(F).

7

Установить амплитуду сигнала на выходе генератора звуковых частот UF=0,5UFmax. Изменяя звуковую частоту в пределах от 50 Гц до 10…20 кГц и поддерживая UF = const, снять зависимость девиации от частоты модулирующего сигнала. Полученные данные занести в табл.6.

Таблица 6

F, кГц

Δfд, кГц

Построить график ЧДМХ.

4.6. Определить смещение центральной частоты генератора при модуляции.

К гнездам «ЧМ» лабораторной установки подключить частотомер (низкочастотный генератор остается подключенным к гнездам «ЗГ»).

Измерить центральную частоту исследуемого генератора при следующих значениях управляющего сигнала:

1.UF=0 (при отсутствии управляющего сигнала на входе модулятора);

2.UF=0,5UFmax.

Смещение центральной частоты находится с помощью выражения:

где f0’ – значение центральной частоты, измеренное при UF=0; f0’’ – значение центральной частоты, измеренное при

UF=0,5UFmax.

4.7. Определить уровень паразитной ЧМ исследуемого генератора.

Уровень ПЧМ определяется при отключении генератора звуковых частот от лабораторного стенда по методике п. 4.5, но при отсутствии модулирующего сигнала (UF=0, низкочастотный генератор отключен).

8