ПОСОБИЕ ПО ЛАБАМ СФУ

низкочастотного модулирующего колебания с частотой 1 кГц должен быть подключен к входу 2 сумматора.

КТ

Вх

Вх

КТ

Рис. 1

В качестве измерительных приборов используются вольтметр, осциллограф и ПК в режиме анализатора спектра, а также приборы с программным обеспечением PC_Lab2000, работающие совместно с ПК, для

успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.

Наблюдение процессов на затворе и стоке полевого транзистора осуществляется на гнездах КТ 1 и КТ 2 соответственно.

Домашнее задание

1.Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе основные вопросы темы "Амплитудная модуляция". Приведите графики временных, спектральных и векторных диаграмм при простейшей гармонической модуляции.

2.Выполните расчет статической модуляционной характеристики.

3.Проведите моделирование исследуемой схемы в одной из стандартных программ, например Electronics Workbench (EWB512)*.

*Работа с этой программой может предшествовать выполнению лабораторной работы на занятиях в компьютерном классе.

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.

4.Исследуйте сигналы с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

Методические указания

1. Настройка в резонанс предшествует всей работе. Она осуществляется при подаче на один из входов сумматора (Вх. 1) 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 2. Точное значение резонансной частоты f0 вносится в таблицу 1.

2. Статические модуляционные характеристики IС1=ϕ(ЕСМ) снимаются

на резонансной частоте контура при отсутствии модулирующего сигнала (UΩ=0) для двух значений высокочастотного напряжения на выходе сумматора: Uw=0.5 В; Uw=1.0 В. Изменяя напряжение смещения с шагом 0.5 В, измеряют выходное напряжение в КТ 2. Данные эксперимента в обоих случаях вносятся в две таблицы, аналогичные приведенной выше. Первая гармоника тока стока рассчитывается по формуле:

IС1= UВЫХ / RЭО,

где принять RЭО≈1 кОм – сопротивление контура на резонансной частоте (или определить с уточнением при измерении АЧХ).

По полученным таблицам на одном графике строятся обе зависимости

IС1=ϕ1(ЕСМ) при Uw=0.5 В и IС1=ϕ2(ЕСМ) при Uw=1.0 В.

3. Оптимальный режим модулятора находится в два этапа. На первом

этапе выбирается статическая модуляционная характеристике с наиболее протяженным линейным участком, а на втором – определяется положение рабочей точки на этой характеристике. По этой же характеристике

определяется максимальная амплитуда низкочастотного модулирующего

напряжения UmΩМАХ так, чтобы модуляция осуществлялась без заметных искажений.

Подать на вход сумматора исследуемой схемы сигнал с частотой 1 кГц (для этого использовать возможности приборов PC_Lab2000 или других установленных на ПК виртуальных источников сигналов) и установить найденное значение UmΩМАХ, отмечая, что при использовании вольтметра

переменного напряжения показания соответствуют действующим значениям

/Ö2.

Установить смещение ЕСМ ОПТ, соответствующее середине линейного участка кривой IC=j(ЕСМ). Установить на входе 1 сумматора выбранное значение Uw (0.5 В или 1 В). Найденные величины заносятся в таблицу 2.

ВНИМАНИЕ!

∙ В данном (оптимальном) режиме модулятор будет использован снова в лабораторной работе по детектированию как источник амплитудно- модулированных сигналов. Поэтому 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 несущей частоты (Вх. 1);

∙входной сигнал низкой частоты (Вх. 2);

∙суммарный входной сигнал (КТ 1);

∙выходное напряжение (КТ 2);

∙форма тока стока iС(t) ( КТ 2, при включенной кнопке "R");

∙выходное напряжение при высокой добротности контура (КТ 2 при

нажатой кнопке "LC" и отжатой " RШ ").

Одновременно с осциллограммами зарисовываются спектры всех перечисленных сигналов с сохранением масштаба по оси частоты. По полученным осциллограммам определяется и фиксируется в таблице 3 глубина модуляции (коэффициент модуляции m). Определяется зависимость

коэффициента модуляции от амплитуды модулирующего сигнала с

построением графика (m=j3(UΩ)).

5. Диаграммы искаженных колебаний на выходе вне оптимального режима наблюдаются и зарисовываются (сохраняются в файле) при правильно выбранной нагрузке: включено "LC" и " RШ ", но при напряжениях, отличных от найденных в п. 3:

∙ЕСМ = ЕСМ ОПТ +1 В;

∙ЕСМ = ЕСМ ОПТ -1 В;

∙ЕСМ = ЕСМ ОПТ, но UΩ 2 UΩМАХ.

6.Модуляция сложным сигналом производится при действии двух низкочастотных сигналов (например, 1 кГц и 2 кГц), подаваемых на входы 2

и3 сумматора макета. Для сохранения оптимального режима модулятора

каждый из подаваемых сигналов должен соответствовать половине UΩМАХ. Зарисовать осциллограммы и спектры на входе модулятора (гнездо КТ 1), для чего следует отключить источник "несущей" от входа 1, а также на выходе (гнездо КТ 2 при восстановлении сигнала на входе 1).

7.Снять зависимость коэффициента модуляции от частоты

модулирующего сигнала (m=ϕ4(Ω)), частоту которого изменять в пределах полосы пропускания АЧХ колебательного контура (АЧХ может быть получена классическим методом или на основе меню Bode Plotter приборов

PC_Lab2000).

8. Исследовать сигналы с амплитудно-импульсной (АИМ) модуляцией. Для этого при полученной АМ включить резистивную нагрузку (кнопка "R" нажата). Зафиксировать характерные временные и спектральные диаграммы, использовав возможности рекомендованного измерительного оборудования.

Отчет

Отчет должен содержать:

1.Принципиальную схему исследования и результаты домашней подготовки.

2.Сток-затворную характеристику полевого транзистора для Ваших условий работы.

3.Таблицы экспериментальных данных.

4.Графики ϕ1(ЕСМ) и ϕ2(ЕСМ), m=ϕ3(UΩ), m=ϕ4(Ω), а также осциллограммы и спектры исследованных процессов.

Контрольные вопросы

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

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

3.Что такое глубина модуляции, коэффициент модуляции?

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

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

6.Как распределяется мощность между составляющими АМ 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 и почему зависит коэффициент модуляции от частоты модулирующего сигнала?

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

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

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 (АМ с ОБП).

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

16.Изобразите схему для получения однополосной модуляции. В чем состоят достоинства и недостатки АМ с ОБП?

17.Охарактеризуйте сигналы с АИМ. Приведите характерные временные и спектральные диаграммы.

Лабораторная работа № 9

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ

Цель работы

Исследование процесса преобразования частоты при использовании нелинейного элемента с квадратичным участком вольтамперной характеристики.

Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ, схема которого приведена в работе Усиление сигналов. 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 дополнительный генератор амплитудно-модулированных (АМ) колебаний или сигнал с АМ синтезированный программным обеспечением PC_Lab2000. В этом генераторе несущая частота ( 100 кГц) и частота модуляции (1 кГц) фиксированы; напряжение несущей должно быть примерно 300 мВ, а глубина модуляции может изменяться в широких пределах. Напряжение АМ колебания ("сигнал") с выхода 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

срезультатами предварительного расчета равной fГ, напряжение – 1 В.

Вкачестве измерительных приборов используются вольтметр, осциллограф и виртуальные приборы – осциллограф и анализатор спектра, которые подключаются в процессе измерений необходимых характеристик, а также приборы с программным обеспечением PC_Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.

Входной сигнал наблюдается на гнездах 1, напряжение гетеродина - на гнездах 2. Для наблюдения процессов на затворе осциллограф должен быть подключен к гнездам КТ 1; гнезда КТ 2 служат для наблюдения и измерения выходного сигнала.

Домашнее задание

1.Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе материал по преобразованию частоты сигнала.

2.Пользуясь сток-затворной характеристикой полевого транзистора,

выберите напряжение смещения ЕСМ на середине квадратичного участка. С помощью указаний, данных в п. 2, рассчитайте ориентировочные значения частот гетеродина fГ1 и fГ2.

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 работе Усиление сигналов. Переключатель "R–LC" устанавливается в положение "LC". При выполнении работы используется контур с пониженной добротностью (RШ включено). Переключатели "СН", не используемые в данной работе, должны быть установлены в нулевое положение (все кнопки отжаты).

2. Подготовительный расчет проводится по формулам:

fПР= f0, fГ1 = fН - fПР, fГ2= fН+ fПР,

где fПР – преобразованная (промежуточная) частота; f0 – резонансная частота контура (13÷15 кГц); fН=100 кГц – несущая частота сигнала;

fГ – частота гетеродина.

Полученные величины вносятся в приведенную ниже табл. 1.

3. Положение рабочей точки выбирается на середине квадратического участка ВАХ транзистора. Найденное значение ЕСМ вносится в таблицу 1 и устанавливается потенциометром "СМЕЩЕНИЕ".

4. Режим преобразования частоты обеспечивается настройкой одного из генераторов ("гетеродина") так, чтобы комбинационная разностная частота çfГ - fНç=fПР (промежуточная частота) совпала с резонансной частотой (f0) контура в цепи стока. Перед настройкой необходимо установить на входе 1 UГ=1 В от генератора ("гетеродина") с частотой fГ1. На вход 2 подается напряжение "сигнала". "Сигналом" в данной работе является напряжение с выхода используемого генератора. Напряжение "сигнала" контролируется встроенным вольтметром переменного напряжения. Для правильной установки АМ сигнала необходимо:

∙убрать модуляцию (m=0);

∙установить действующее значение напряжения несущей Un=0.5 В;

∙установить глубину модуляции (30¸60)% и измерить её, наблюдая осциллограмму на входе 2. Такой порядок установки параметров АМ сигнала связан с тем, что вольтметры переменного напряжения не рассчитаны на сигналы с меняющейся амплитудой.

Варьируется частота fГ1 до получения на выходе (КТ 2) АМ колебаний

снаибольшей амплитудой. Контроль ведется по осциллографу и

микроамперметру стенда. Подстраивая в небольших пределах ЕСМ, 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 fГ2, повторить п.5 при этой частоте гетеродина.

7.Характеристика преобразования UПР=g(UН) снимается после настройки при любой из двух частот гетеродина fГ1 или fГ2. Для этого напряжение "несущей" UН берется от используемого источника сигнала при отсутствии модуляции. Задавая напряжения "несущей" в пределах от 0 до 1 В на входе сумматора и, не меняя напряжение "гетеродина", заполнить таблицу

1, на основании которой строится график UПР=g(UН).

Таблица 1

Отчет

Отчет должен содержать:

1.Принципиальную схему преобразователя частоты.

2.Исходную и аппроксимированную сток-затворную 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 частоты?

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 её 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.

12.Что такое крутизна преобразования? Определите крутизну преобразования исследованного преобразователя частоты.

Лабораторная работа № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО МОДУЛЯТОРА

Цель работы

Исследование принципа действия частотного модулятора. Получение

характеристик частотного модулятора при воздействии на его вход моногармонического сигнала. Исследование формы и спектра сигналов с частотной модуляцией.

Схема работы и измерительная аппаратура

В данной работе используется универсальный лабораторный стенд со сменным блоком ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ, упрощённая принципиальная схема которого приведена на рис. 1. Объектом исследования в данной работе является левая часть схемы (между гнёздами КТ 1 и КТ 2).

Как можно увидеть из схемы, частотный модулятор представляет собой RC генератор, состоящий их двухкаскадного резистивного усилителя (А1) и фазобалансной цепи (ФБЦ) или моста Вина, обеспечивающей положительную обратную связь. Частота генерации зависит от параметров ФБЦ – С3, С4 и сопротивлений каналов (RСИ) полевых транзисторов VT1 и VT2. Сопротивление канала (RСИ) зависит от управляющего напряжения, приложенного к затвору.