Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микроэлектроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие
.pdf
Другими словами, угловая частота является дифференциальной
E
функцией фазового угла φ, а фаза является интегральной функцией угловой частоты
.
В качестве несущего сигнала в радиотехнике используются высокочастотные гармонические колебания, позволяющие осуществлять
беспроводную дальнюю радиосвязь.
В информационно-измерительной технике наиболее часто в качестве несущего сигнала применяют импульсные сигналы прямоугольной
формы чаще однополярные, реже двухполярные.
Для отличия от гармонического несущего сигнала все виды модуляции при этом получили дополнительный
амплитудно-импульсная модуляция (АИМ);
частотно-импульсная модуляция (ЧИМ);
фазово-импульсная модуляция (ФИМ).
термин – «импульсная»:
Поскольку импульсный сигнал, кроме амплитуды, частоты и фазы
характеризуется и длительностью импульса, появляется еще один параметр, которым можно управлять и соответственно дополнительный вид
модуляции – широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
Модуляция, при которой управляющий сигнал является гармоническим, получила название тональной модуляции. В данной лабораторной работе рассматривается
электронный модулятор с амплитудно-
импульсной тональной модуляцией, которая описывается выражением:
sin Ω
Ut – модулирующий сигнал;
где
Ut – несущий сигнал, который описывается выражением
m
и
ut U tU t
и
Ut
и
()
0, .
sin Ω
m
,0 ;
tt
ttТ
и
, (5.3)
и
(5.4)
Аналитические выражения (5.3) и (5.4) иллюстрируются диаграммами, представленными на рис. 5.1. Из выражения (5.3) следует, что
амплитудно-импульсную модуляцию можно осуществить на основе
аналоговых перемножителей сигналов.
Модуляторы
В данной лабораторной работе исследуется простейший модулятор
на основе каскадной схемы усилителя, являющейся по сути дела, двухквадрантным перемножителем сигналов.
Электрическая принципиальная схема электронного модулятора
показана на рис. 5.2.
61
Рис. 5.1. Тональная амплитудно-импульсная модуляция
+
12В
R1
51к
U
МОД
C1
0,47 мкФ
VT1
R4
ФНЧ
1к
R2
51к 1к
U
НЕС
C2
0,47 мкФ
R3
VT2
R5 C3
10к
U
ВЫХ
47нФ
Рис. 5.2. Амплитудно-импульсный модулятор
и фильтр нижних частот в качестве детектора
В этой схеме транзистор VT2 работает в ключевом режиме и переключается импульсами входной последовательности.
Транзистор VT
ния задают резисторы R
работает в активном режиме (напряжение смеще-
1
, R2), на его вход подается синусоидальный
1
сигнал, являющийся управляющим сигналом. Прямоугольная импульсная последовательность является несущим сигналом.
Сигнал на выходе модулятора представляет собой импульсную последовательность, амплитуда которой изменяется по закону синусоидального сигнала на входе модулирующего напряжения.
Под глубиной модуляции понимают отношение
Δ
U
вых
M
m
, (5.5)
2
U
0
62
т. е. амплитуда изменения амплитуды модулируемого сигнала по отношению к его начальному значению. Таким образом, всегда выполняется
0 < M < 1.
В случае низкочастотного несущего сигнала для построения схем
модуляторов широко используются операционные усилители. Принцип
работы этих модуляторов основан на управлении коэффициентом передачи масштабного усилителя.
Примером такого модулятора является схема, приведенная
на
рис. 5.3.
Рис. 5.3. Амплитудный модулятор на ОУ, его модуляционная
характеристика
На этой схеме ОУ включен как неинвертирующий масштабный
усилитель. Управление коэффициентом усиления в модуляторе осуществляется с помощью полевого транзистора VT
местно с резистором R
входе усилителя DA
1
делитель напряжения на неинвертирующем
3
.
, образующего сов-
1
Таким образом, коэффициент усиления масштабного усилителя
определяется выражением
RR
где R
K
U
– сопротивление канала полевого транзистора, зависящее от
T
2T
1
RRR
13T
, (5.6)
напряжения на затворе.
В качестве несущего сигнала в этой схеме используют гармонический сигнал, а в качестве модулирующего – однополярные импульсы с
генератора прямоугольных импульсов. Следовательно, выходной сигнал
должен представлять собой посылки гармонических колебаний.
63
Вид сигналов, действующих в схеме, представлен на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Импульсная модуляция гармонического сигнала
Детекторы
Поскольку электрический сигнал, снимаемый с выхода модулятора
(рис. 5.2), является однополярным, то для осуществления демодуляции
достаточно выделить несущий сигнал с помощью фильтра нижних частот, подключаемого к выходу модулятора, как показано на рис. 5.2.
Электрический сигнал, снимаемый с выхода модулятора на ОУ
(рис. 5.3), имеет форму «пачек» гармонического сигнала. В качестве
простейшего амплитудного
детектора можно использовать схему, при-
веденную на рис. 5.5.
Рис. 5.5. Простейший
амплитудный детектор
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе оформляется в виде отдельных разделов по каждому из основных пунктов программы работы. При этом
каждый из разделов должен содержать:
принципиальную схему исследуемого модулятора;
таблицы экспериментальных данных;
характеристики, построенные по экспериментальным данным;
осциллограммы наблюдаемых процессов работы;
анализ полученных данных и выводы по проделанной работе.
64
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Какие виды модуляции вам известны?
2.
Что такое «стандартная и балансная амплитудная модуляция»?
3. Дайте определение понятию «тональная модуляция»?
4.
Что такое «глубина модуляции при АМ»? В каких пределах
может изменяться данный параметр?
5.
Приведите схему амплитудно-импульсного модулятора на би-
полярных транзисторах, сфазированные диаграммы модулирующего,
несущего сигналов, а также напряжение на выходе модулятора. Поясните принцип действия.
6.
Поясните способы включения транзисторов модулятора. Каким
образом обеспечивается смещение транзисторов?
7.
Приведите и поясните модуляционную характеристику ампли-
тудно-импульсного модулятора.
8.
Почему исследуемый амплитудно-импульсный модулятор яв-
ляется двухквадрантным перемножителем?
9.
Приведите схему детектора для амплитудно-импульсного мо-
дулятора. Объясните наличие фазового сдвига между модулирующим
сигналом и напряжением на выходе детектора.
10.
Как изменится диаграмма напряжения на выходе детектора, ес-
ли уменьшить (увеличить) постоянную времени его
RC-цепи?
11. Приведите схему амплитудного модулятора на ОУ, сфазиро-
ванные диаграммы модулирующего, несущего сигналов, а также напряжение на выходе модулятора. Поясните принцип действия.
12.
Назовите схему включения ОУ. Определите коэффициент пере-
дачи схемы по отношению к несущему сигналу.
13.
Приведите модуляционную характеристику амплитудного мо-
дулятора на ОУ, поясните ход кривой.
14.
Нарисуйте схему простейшего детектора для амплитудного мо-
дулятора на ОУ. Приведите сфазированные диаграммы напряжений на
входе и выходе детектора.
15.
Как изменится диаграмма напряжения на выходе детектора, ес-
ли уменьшить (увеличить) постоянную времени его RC-цепи? Если изменить направление включения диода?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых
электронных устройств / Г.И. Волович. – Москва : Додэка-XXI, 2005.–
528 с.
2.
Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства : учебное пособие /
Ю.Н. Ерофеев. – 3-е изд., перераб. и доп. – Москва : Высшая школа,
1989. – 526 с.
65
3. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники : учебное пособие для
вузов / Е.И. Манаев. – Москва : «Сов. радио», 1976. – 480 с.
4.
Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С. Го-
норовский. – Москва : Сов. Радио, 1971. – 671 с.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Микросхема КР140УД608 – 1 шт.
Транзистор МП38А – 2 шт.
Транзистор КП103Е – 1 шт.
Диод Д311 – 1 шт.
Конденсатор 47 нФ – 1 шт.
Конденсатор 0,47 мкФ – 2 шт.
Резистор 1 кОм – 2 шт.
Резистор 10 кОм – 3 шт.
Резистор 33 кОм – 1 шт.
Резистор 51 кОм – 2 шт.
Резистор 470 кОм – 2 шт.
66
Лабораторная работа № 6
ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение принципа работы и особенности функционирования, расчёт и экспериментальное исследование частотно-импульсных модуляторов на операционном усилителе.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
1. Изучить принцип работы частотно-импульсного модулятора по
предложенному описанию лабораторной работы и рекомендуемой литературе.
2.
Рассчитать параметры выходного сигнала и диапазон измене-
ния частоты для схемы, приведённой на рис. 6.1.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Собрать схему преобразователя «напряжение–частота» по
UU
рис. 6.1, выставить
вх
помощью осциллографа.
При любом фиксированном значении
2.
граммы выходного напряжения, и напряжения на конденсаторе
мерить параметры сигналов (амплитуду импульсов, длительность импульсов и фронтов, частоту следования)
Снять и построить модуляционную характеристику в виде зави-
3.
)(
симости
ты
.
f
д
Собрать схему преобразователя напряжение-частота с повы-
4.
UFf
. По характеристике определить девиацию часто-
вхвых
шенной линейностью преобразования (рис. 6.4) и убедиться в её функционировании при отсутствии входного сигнала
Подать на вход схемы сигнал амплитудой 12 В, частотой 600 Гц
5.
с генератора синусоидального напряжения. С помощью осциллографа
проследить процесс тональной модуляции частоты. Зарисовать осциллограммы модулирующего и выходного напряжений.
6.
Снять и построить модуляционную характеристику преобразо-
вателя «напряжение–частота» для схемы рис. 6.4, поочерёдно подавая
на вход постоянное напряжение положительной и отрицательной полярности (используя потенциометр 2,2 кОм, как в схеме рис. 6.1).
По модуляционной характеристике определить девиацию частоты
и убедиться в её функционировании с
m
U
зарисовать осцилло-
вх
С. Из-
.
вх
0
.
f
д
U
.
67
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
В лабораторной работе используется компаратор типа LM311N.
Внимание! Если выводы 5 и 6 не используются, их необходимо со-
единить вместе.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Рассматриваемый в лабораторной работе частотно-импульсный
модулятор, чаще называемый в литературе «преобразователь напряжение – частота», по принципу работы является автоколебательным мультивибратором на операционном усилителе, в котором путём включения
в цепь отрицательной обратной связи диода VD достигается разделение
цепей перезаряда конденсатора C в положительной и отрицательной частях периода генерируемого сигнала
. Электрическая принципиальная
схема простейшего преобразователя «напряжение–частота» представлена на рис. 6.1, там же приведены временные диаграммы, поясняющие
принцип работы схемы.
U
Заряд конденсатора С происходит от источника
с постоянной времени
R
1
В исходном положении при
CR
.
1З
0
U
вх
схема преобразователя нахо-
через резистор
вх
дится в устойчивом состоянии, при котором цепь отрицательной обратной связи разомкнута, т. к. диод VD закрыт, что имеет место при положительном напряжении на выходе операционного усилителя. Цепь положительной обратной связи через делитель напряжения R
, R4 обеспе-
3
чивает «защёлкивание» этого устойчивого состояния схемы и насыщение операционного усилителя (ОУ), таким образом, на выходе ОУ уста-
U
навливается напряжение
, а на неинвертирующем входе
m
которое и удерживает схему в устойчивом состоянии. Здесь буквой
U
m
,
обозначен коэффициент деления резистивного делителя в цепи положительной обратной связи:
R
4
RR
34
68
.
В этом состоянии ОУ будет находиться до тех пор, пока напряжение
на входе схемы меньше, чем напряжение на неинвертирующем входе.
UU
Пусть напряжение
резистор R
, стремясь к напряжению
1
вх
напряжение на конденсаторе
чуть больше, компаратор перейдёт скачком в состояние
. Конденсатор С будет заряжаться через
m
U
, но в тот момент времени, когда
вх
U
достигнет напряжения
C
U
m
U
(по выходу) –
m
и станет
произойдёт так называемое «опрокидывание» мультивибратора.
По цепи положительной обратной связи осуществляется фиксация
этого нового состояния путём подачи на неинвертирующий вход
U
напряжения
.
m
Рис. 6.1. Принципиальная схема преобразователя «напряжение–частота»
Рис. 6.2. Диаграммы работы преобразователя «напряжение–частота»
69
Диод VD при этом открывается, и конденсатор С разряжается по
цепи отрицательной обратной связи, стремясь перезарядиться до
напряжения (–)U
. Происходит формирование отрицательной части пе-
m
риода выходного сигнала, т. е. отрицательного импульса. Постоянная
времени цепи разряда
. Чтобы цепь заряда не оказывала влия-
2Р
CR
ния на процесс разряда конденсатора С по цепи отрицательной обратной связи, необходимо выполнение условия
или R
>>R2.
1
, т. е. СR1>>CR2
РЗ
Перезаряжающийся конденсатор всегда стремится от уровня
U
к одному и тому же уровню (–)Um, поэтому длительность отри-
m
U
цательного импульса не зависит от напряжения
при заданных значениях R
равенства R
>>R2.
1
и С постоянна при условии выполнения не-
2
и для данной схемы
вх
Длительность положительного импульса зависит от напряжения
U
, и эта зависимость иллюстрируется на рис. 6.3.
вх
Рис. 6.3. Зависимость длительности
положительного импульса
от напряжения Uвх
Основным недостатком схемы преобразователя «напряжение–
частота», изображённой на рис. 6.1, является нелинейность модуляционной характеристики. Эта нелинейность объясняется экспоненциальным характером заряда конденсатора С от источника U
. От этого не-
вх
достатка свободна схема, изображённая на рис. 6.4.
В этой схеме заряд конденсатора С происходит от управляемого источника тока, построенного на биполярном транзисторе VT. Управление
U
осуществляется с помощью модулирующего напряжения
. Особенно-
вх
стью схемы является также то, что источником питания для генератора
тока является положительная часть периода генерируемого сигнала.
Для защиты транзистора VT от инверсного питания на этапе формирования отрицательного выходного импульса включён диод VD
70
, кото-
1
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]