книги / 130

4.5.4. Исследование формы колебаний на входе и выходе частотного модулятора

1.Соедините один из входов двулучевого осциллографа с входом модулятора (для этого надо отключите вольтметр, сохраняя соединение с генератором). На другой вход осциллографа подайте выходной сигнал модулятора.

2.Установите частоту модуляции FМОД = 300 Гц, а уровень сигнала увеличивайте до тех пор, пока на осциллограмме выходного сигнала не появится паразитная амплитудная модуляция. Несколько уменьшите входной сигнал так, чтобы огибающая ЧМ-сигнала стала ровной.

3.Установите синхронизацию осциллографа по тому каналу (входу), на который подан высокочастотный (выходной) сигнал. Ручками синхронизации добейтесь неподвижного (хотя бы на части экрана) изображения.

4.Подстраивая в небольших пределах частоту модуляции, добейтесь неподвижной картинки модулирующего сигнала. Иногда нужный эффект может быть достигнут небольшой подстройкой несущей частоты (ручкой СМЕЩЕНИЕ).

5.Зафиксируйте осциллограммы на входе и выходе частотного модулято-

ра.

4.6. Отчёт

Отчёт должен содержать:

1.Схему частотного модулятора.

2.Статическую модуляционную характеристику.

3.Спектры, таблицы и осциллограммы по всем пунктам исследований.

4.Теоретический расчёт спектров для

•МЧМ = 2.4 (из табл. 3);

•для FМОД= 250 Гц (из табл. 4).

Для расчётов принять Umo=1 В (амплитуда немодулированного сигнала). 5. Выводы по пунктам 2 и 3.

4.7.Контрольные вопросы

1.Что такое угловая модуляция (УМ) и дайте определение ЧМколебания при гармонической модуляции.

2.Приведите пример записи тонального ЧМ-колебания с параметрами

f0 = 100 МГц; FМОД = 10 КГц; fMAX = 50 КГц.

3.Опишите принцип действия частотного модулятора. Какие способы получения ЧМ-колебаний Вам известны?

4.Определите статическую модуляционную характеристику.

5.Какими формулами определяются полная фаза и мгновенная частота сигналов с УМ?

6.Как рассчитать спектр ЧМ-колебания?

7.Представьте (качественно) спектр сигнала

i(t) = Im0 cos (ω0 t + 0.01 cos Ω t).

8.Какое отношение имеют функции Бесселя к частотной модуляции?

21

Лабораторная работа № 5

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМ КОЛЕБАНИЙ

5.1. Цель работы

Исследование принципа работы и характеристик диодного детектора

5.2.Схема исследования и измерительная аппаратура

Вработе используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ. Схема исследуемой це-

пи приведена на рис. 5.1. Переключатель "СН" даёт возможность изменять в широких пределах постоянную времени RC-цепи (нагрузка диода). Изображенный на схеме микроамперметр находится в правой части приборной панели стенда.

Вкачестве источника АМ сигнала с относительно низкой частотой несу-

щего колебания (fН1=12...16 кГц) используется модулятор, исследованный в лабораторной работе №6 по АМ [5] и настроенный в соответствии с экспериментальными данными оптимального режима. Выход амплитудного модулятора (гнездо КТ 3) является входом детектора.

Рисунок 5.1

При использовании других генераторов так же присоединять ко входу детектора (гнездо КТ 3), но при этом нагрузкой в модуляторе следует выбрать "R". (Кнопка включения резистора "R" одновременно отключает ёмкость контура (на схеме макета это не показано) для того, чтобы исключить шунтирующее действие расстроенного низкочастотного контура ( 13 кГц) на генератор высокочастотного сигнала.

Измерительные приборы подключаются ко входу детектора или к выходу (гнездо КТ 4). Используются вольтметр, осциллограф и анализатор спектра (ПК), а также приборы с программным обеспечением PC–Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.

22

5.3.Предварительная подготовка

1.Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе основные вопросы темы "Детектирование АМ колебаний".

2.Выполните расчёт параметров детектора при частоте несущего колебания 13 кГц и значении внутреннего сопротивления нелинейного элемента

20 Ом.

3.Оформите заготовку отчёта.

5.4.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.

5.5.Методические указания

1. Временные диаграммы и спектры при детектировании наблюдайте при подаче АМ колебаний с заданной частотой несущего колебания. Для этого соберите схему модулятора и установите оптимальный режим по данным лабораторной работы для АМ [5]. Друг под другом с сохранением масштаба зарисуйте осциллограммы и спектры:

•модулированного колебания на входе детектора (гнездо КТ 3);

•напряжения на выходе детектора при всех значениях емкости нагрузки СН (0; 3; 15; 30 нФ).

2.Задания п. 1 повторите (без анализа спектров) при действии АМ колебаний с другим источником несущего колебания. Для этого к гнездам КТ 3 присоединяется источник АМ колебаний (например, сформированный в библиотеке PC–Lab2000); амплитуда несущей выбирается равной 1 В при

m=0.6...0.8. Переключатель "СН" установите вначале в положение "0". Переключатель R или LC (нагрузка полевого транзистора) – в положение "R".

3.Исследуйте детектирование АМ сигналов с глубиной модуляции m>1. Сохраняя схему измерений пункта 2, увеличьте до максимума глубину

модуляции. Зарисовать осциллограммы на входе и выходе детектора при СН=3 нФ и др.

4.Характеристику детектирования I0(Uω) снимите при действии немодулированных колебаний, получаемых от встроенного диапазонного генератора

счастотой fН1(m=0). Переключатель СН – в положение 15 нФ. Ток детектирова-

23

ния измеряйте внутренним микроамперметром – при изменении Uω в пределах до 1 В. Данные измерений занесите в таблицу 5.1, при этом особое внимание обратите на выявление общего вида характеристики и, в частности, её начального участка (определить Uω при одном, двух и трех делениях шкалы микроамперметра).

Таблица 5.1

Отчёт должен содержать:

1.Принципиальную схему исследования и результаты предварительной подготовки.

2.Таблицы экспериментальных данных.

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

5.7.Контрольные вопросы

1.Что такое детектирование? Поясните процесс детектирования АМ 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 детекто-

ра?

5.Изобразите схему диодного детектора. Поясните работу диодного детектора соответствующими временными и спектральными 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 АМ сигналов?

8.Можно ли детектировать диодным детектором:

•АМ колебания при m>1;

•АМ 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 АМ колебаний?

24

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРА ЧМ СИГНАЛОВ

6.1. Цель работы

Экспериментальное исследование частотного детектора. Выбор оптимального режима детектирования.

6.2.Схема работы и используемая аппаратура

Вданной работе используется универсальный лабораторный стенд со сменным блоком ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ (рис. 6.1). В качестве источника ЧМсигнала в работе используется частотный модулятор, рассмотренный в работе ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО МОДУЛЯТОРА. Выход частотного модулятора (гнездо КТ 2 на рис. 6.1) соединяется перемычкой с входом частотного

детектора (гнездо КТ 3). Выход частотного детектора (гнездо КТ 4) соединён с микроамперметром, измеряющим постоянную составляющую тока детектора. Схема исследуемого частотного детектора состоит из усилителя на полевом транзисторе VT 3, в нагрузку которого включены два резонансных контура, настроенных на разные частоты (f01 и f02). Эти частоты расположены симметрично относительно несущей частоты ЧМ-сигнала. Ток ЧМ-сигнала с постоянной амплитудой, протекая через два расстроенных контура, вызывает на них падения напряжения, пропорциональные их сопротивлениям. Чем ближе мгновенная частота ЧМ-сигнала к резонансной частоте контура, тем больше амплитуда напряжения на контуре и наоборот. Таким образом, линейная цепь (рассмотренный колебательный контур) преобразует ЧМ-сигнал в сигнал, в котором и амплитуда, и частота изменяются одновременно. Осциллограмма такого сигнала внешне очень похожа на АМ-сигнал, но частота заполнения его меняется так же, как у входного ЧМ-сигнала. Нагрузкой каждого контура является свой детектор огибающей (АМ-детектор).

Выходные напряжения АМ-детекторов (на резисторах R5 и R6) зависят от расстройки контуров относительно мгновенной частоты ЧМ-сигнала. Для идеальной работы ЧМ-детектора модуль полного сопротивления расстроенного контура должен меняться прямо пропорционально девиации частоты ЧМсигнала. Однако на частотной характеристике контура имеется небольшой почти линейный участок в районе точки перегиба. Для увеличения ширины линейного участка характеристики детектирования применяют не один, а два симметрично расстроенных контура. Встречное включение диода (VD2) во втором детекторе огибающей позволяет в значительной степени компенсировать нелинейность склона АЧХ-контура, а также компенсировать постоянную составляющую выходного сигнала.

Выходное напряжение ЧМ-детектора (гнездо КТ 4) равно разности напряжений на выходах АМ-детекторов: UВЫХ = UR5 – UR6.

25

В работе также используйте встроенные диапазонный генератор базового блока (или программные генераторы), приборы постоянного и переменного напряжений, двухлучевой осциллограф и ПК, используемый как частотомер или анализатор спектра, а также приборы с программным обеспечением PC– Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.

6.3.Предварительная подготовка

1.Изучите основные вопросы исследуемой темы по конспекту лекций

ирекомендованной литературе.

2.Выполните моделирование детекторных характеристик.

3.Проведите моделирование исследуемой схемы в одной из стандарт-

ных программ, например Electronics Workbench (EWB512 или Multisim 8)*.

*Работа с этой программой обычно предшествует выполнению лабораторной работы на занятиях в компьютерном классе.

6.4.Лабораторное задание

1.Снимите характеристику детектирования и выберите оптимальный режим работы частотного детектора.

26

2. Наблюдайте и фиксируйте сигналы на входе модулятора и выходе детектора в оптимальном режиме и при отклонениях от него.

6.5.Методические указания

6.5.1.Исследование и снятие характеристики детектирования I0 =

φ2(f) производится при отсутствии модулирующего сигнала (МЧМ=0) путём изменения частоты входного сигнала с измерением постоянной составляющей тока детектора. При этом вход модулятора отключён (гнездо КТ 1 свободно), между гнездами КТ 2 и КТ 3 установите перемычку, а управление частотой осуществляйте изменением смещения («-ЕСМ») в модуляторе. Измерение частоты на выходе модулятора (гнездо КТ 2) производите с помощью ПК в режиме «Спектроанализатор» или приборами PC–Lab2000, а ток I0 – микроамперметром, расположенным над вольтметром ЕСМ.

1. Изменяя напряжение смещения («-ЕСМ») в соответствии с таблицей 6.1 измерьте с помощью ПК (в режиме «Спектроанализатор» или приборами PC– Lab2000) частоты модулятора и, одновременно с этим, ток детектора I0.

Таблица 6.1

Данные для статической модуляционной характеристики f = φ1(ЕСМ) и характеристики детектирования I0 = φ2(f)

2. По результатам таблицы 6.1 постройте статическую модуляционную характеристику (СМХ) и характеристику детектирования (ХД). Из графика ХД определите оптимальное значение несущей частоты f0, соответствующее нулевому току детектора и максимальную девиацию частоты fMAX, соответствующую границе линейного участка ХД, считая от частоты f0. Из СМХ определите напряжение смещения ЕСМ ОПТ, при котором несущая частота равна f0 и максимальная амплитуда сигнала UMC, при которой девиация частоты составит fMAX. Полученные значения параметров внесите в табл. 6.2.

3. Соедините выход диапазонного генератора с гнездом КТ 1 (вход модулятора). Туда же подключите вольтметр переменного напряжения (или исполь-

27

зуйте осциллограф). Установите на генераторе гармонический сигнал с частотой FМОД=200 Гц и действующим значением UC МАХ (по вольтметру). Установите ЕСМ = ЕСМ ОПТ (из табл. 6.2).

4.Замените вольтметр на входе 1 на один из входов физического двухлучевого осциллографа (или осциллографа PC–Lab2000), а второй его вход соедините с выходом детектора (гнездо КТ 4).

5.Получите неподвижные осциллограммы, зафиксируйте их в отчёте. Обратите внимание на «зубцы» выходной осциллограммы, связанные с работой амплитудных детекторов (зарядом и разрядом конденсаторов нагрузки).

6.5.2. Работа детектора в неоптимальном режиме возникает при выхо-

де сигнала за пределы линейного участка ХД.

1. Измените напряжение смещения на +0.5 В от оптимального. По графику СМХ или табл. 1 определите новое значение несущей частоты и внесите его в отчёт.

Повторите п. 5 из 6.5.1.

2.Повторите п. 1, но при ЕСМ = ЕСМ ОПТ -0.5 В.

3.Восстановите прежнее значение ЕСМ ОПТ. Увеличьте модулирующий

сигнал UC в 1.5 раза. (Для этого на время измерения замените вход осциллографа, подключенный к гнезду 1 на вольтметр)

Повторите п. 5 из 6.5.1.

6.6. Отчёт

Отчёт должен содержать:

1.Принципиальную схему частотного детектора.

2.Статическую модуляционную характеристику частотного модуля-

тора.

3.Характеристику детектирования.

4.Временные диаграммы оптимального и неоптимальных режимов

работы.

6.7.Контрольные вопросы

1.Дайте определение и запишите формулу ЧМ-сигнала при гармонической модуляции.

2.Амплитуда несущего колебания и амплитуда немодулированного ЧМ-сигнала – это одно и то же или нет (дайте обоснование)?

3.Какие требования предъявляются к частотному модулятору и частотному детектору?

4.Какие функции выполняют частотный модулятор и частотный де-

тектор?

5.Как работает частотный детектор и для чего используются два кон-

тура?

6.Какое отношение имеет функция Бесселя к спектру ЧМ-сигнала?

7.Чему равна мощность ЧМ-сигнала? Сравните с мощностью АМ-

сигнала.

28

Лабораторная работа № 7

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ

7.1. Цель работы

Исследование преобразований законов распределения мгновенных значений случайных сигналов при прохождении через нелинейные цепи.

7.2.Краткая характеристика исследуемых сигналов и цепей

Вработе используется универсальный лабораторный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В ЛИНЕЙНЫХ И НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ (рис. 7.1). В составе блока имеются три нелинейные безинерционные цепи:

4– односторонний ограничитель,

5– двухсторонний ограничитель,

6– нелинейная цепь, вызывающая искажение типа “центральная отсеч-

ка”.

В качестве источников исследуемых случайных сигналов используются:

•генератор шума с нормальной плотностью распределения;

•диапазонный генератор гармонических колебаний со случайной начальной фазой;

•аддитивная смесь этих сигналов при разных отношениях сигнал/шум.

Рис. 7.1. Сменный блок для исследования преобразований случайных сигналов в нелинейных цепях (блоки – 4; 5; 6)

Кроме универсальной лабораторной установки в работе используются осциллограф, вольтметр и ПК, работающий в режиме “ГИСТОРАММА”

29

(программа «ТЭС»), для снятия кривых плотности вероятности (гистограмм). При анализе реализаций исследуемых процессов используйте виртуальные приборы ПК (программа «ТЭС») и приборы PC–Lab2000.

7.3.Предварительная подготовка

1.Изучите основные вопросы теории преобразования случайных сигналов в нелинейных цепях по конспекту лекций и рекомендованной литературе.

2.Выполните моделирование законов распределения нормального случайного процесса с нулевым средним значением и разных значений дисперсий; повторить расчёты для закона распределения гармонического колебания со случайной фазой. При расчётах используйте MathCad и Matlab, ознакомьтесь со стандартными программами в этих пакетах. Примите амплитуду гармоническо-

го колебания равной Um=1 В и Um=0.5 В, а отношение сигнал/шум Um/σ=1; Um/σ=2; Um/σ=3.

3.Рассчитайте плотность распределения огибающей узкополосного нормального случайного процесса с нулевым средним значением.

4.Рассчитайте плотность распределения огибающей аддитивной смеси гармонического колебания и узкополосного нормального случайного процесса

снулевым средним значением по численным данным п. 2.

5.Полученные результаты приведите в заготовке отчёта к лабораторной

работе.

7.4.Лабораторное задание

1.Исследуйте прохождение сигнала с нормальным законом распределения через нелинейные цепи (рис. 7.1).

2.Исследуйте особенности преобразований законов распределения при прохождении случайных сигналов через нелинейные безинерционные цепи.

3.Исследуйте прохождение узкополосного сигнала с нормальным законом распределения через амплитудный детектор.

7.5.Методические указания

1.Прохождение сигнала с нормальным законом распределения через исследуемые цепи

1.1. Воспользовавшись диапазонным генератором стенда установите сигнал с частотой 1 кГц и откалибруйте осциллограф так, чтобы при Uвх=0.35 В размах синусоиды на его экране составлял ±1 деление. Затем, замените генератор с частотой 1 кГц на генератор шума (ГШ), используя ГШ стенда или ГШ приборов PC–Lab2000, ручкой регулятора выхода ГШ установите ширину шумовой “дорожки” на экране ±3 деления, что соответствует ±3σ (согласно “пра-

30