Лабораторная работа №7 (лр 7) ключевой фазовый дискриминатор и модуляторы

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование статических и динамических характеристик ключевого фазового дискриминатора (КФД), модуляторов и де­модуляторов.

При выполнении работы исследуются следующие устройства:

диодный двухполупериодный (кольцевой) модулятор и демодуля­тор (рис.7.1, 7.2);

прерыватель на транзисторном ключе (рис.7.3);

модулятор и демодулятор на операционном усилителе (рис.7.6);

ключевой фазовый дискриминатор (рис.7.7).

Лабораторная работа выполняется на панели П5 "КФ ДИСКРИМНАТОР И МОДУЛЯТОРЫ".

Краткие сведения из теории

Передачу сигналов в автоматических системах часто целесообра­зно осуществлять на переменном токе. Поэтому возникает необходи­мость преобразования сигнала постоянного тока в. сигнал, переменного тока. Устройства, выполняющие такое преобразований, называются: мо­дуляторами (М). Модулированный сигнал можно записать в виде . Модуляция основывается на том, что один из парамет­ров сигнала переменного тока амплитуда Um , частота или фаза изменяется в соответствии с изменениями модулирующего сигнала низ­кой частоты. Так, при изменении амплитуда несущего колебания Um получают амплитудную модуляцию, при изменении частоты - частот­ную, при изменении - фазовую.

Дня выделения низкочастотного полезного сигнала из модулиро­ванных колебаний применяются демодуляторы (ДМ), в которых выполня­ется операция преобразования сигнала, обратная модуляции. В демо­дуляторах (фазочувствительных выпрямителях) направление тока в на­грузке меняется на обратное при изменении фазы высокочастотного входного сигнала на 180°. Отличительной особенностью схем демоду­ляторов от схем выпрямителей является наличие опорного Uоп (комму­тирующего) источника переменного напряжения, имеющего ту же часто­ту, что и выпрямляемый переменный сигнал Uвх. Для правильной работы модуляторов (демодуляторов) должно выполняться условие: Uоп макс > U вх макс.

В данной лабораторной работе исследуются устройства с ампли­тудной модуляцией и демодуляцией. Основная характеристика ампли­тудных модуляторов и демодуляторов автоматических систем - коэффи­циент передачи. Для модуляторов =Uвых/Uвх, где Uвх-выходное напряжение постоянного тока; Uвых - действующее значение выходного переменного напряжения. Для демодуляторов Кдм= Uвых/Uвх, где Uвых - выходное напряжение постоянного тока; Uвх - действующее зна­чение входного переменного напряжения.

Рассмотрим работу исследуемых схем модуляторов и демодулято­ров.

Схема двухполупериодного (кольцевого) модулятора на полупро­водниковых диодах приведена на рис.7.1. где обозначено: Uвх- мед­ленно меняющийся или постоянный сигнал; Uоп -опорное (коммутирую­щее) напряжение несущей (заданной) частоты; Uвых -модулированное высокочастотное колебание. При отсутствии входного сигнала посто­янного тока (Uвх=0) в первый полупериод опорного напряжения Uоп открыты диоды VD1 и VD2, а во второй полупериод Uоп - диода VD3 и VD4. Токи в первичной обмотке трансформатора Т2 не протекают, поэ­тому Uвых=0 в оба полупериода опорного напряжения. При Uвх ≠0 ток от входного сигнала складывается с током одной из обмоток трансформатора T1 и вычитается из тока другой обмотки, вследствие чего через первичную обмотку трансформатора Т2 течет ток, пропорциональ­ный входному сигналу. В результате сигнал переменного тока индуци­руется во вторичную обмотку трансформатора Т2.

Величину коэффициента трансформации n трансформатора Т2 выби­рают из условия согласования модулятора с нагрузкой. При n=1 (по отношению к каждой поло вше обмоток) теоретически максимально возможный коэффициент передачи двухполупериодного модулятора при иде­альном исполнении схемы не превышает значения Км=4/n.

Схема двухполупериодного (кольцевого) демодулятора на полупроводниковых диодах приведена на рис.7.2. При Uвх=0 в первый полупериод опорного напряжения открыты диоды VD1 и VD3. а диода VD2, VD4 закрыты, во втором полупериода - наоборот. При этом в оба полупериода оперного напряжения Uвых=0.

Пусть Uвх ≠0 и совпадает по фазе с напряжением Uоп. Предположим, что амплитуда опорного напряжения больше амплитуды входного и примем, коэффициенты трансформации трансформаторов Т1 и Т2 (по отношению к каждой половине обмоток) равными единице. На схеме (рис. 7.2) проставлены знаки напряжений в одном из полупериодов Uоп. Из схемы видно, что имеются два контура с токами i1 и i2. При обходе этих контуров ток i1 , протекающий через диод vd1, зависит от суммы напряжений (Uоп + Uвх), а ток i2, протекающий через диод vd3, - от их разности (Uоп - Uвх). Через нагрузку эти токи протекают в про­тивоположных направлениях. Следовательно, суммарный ток нагрузки определяется разностью напряжений

Uвых=(Uоп + Uвх) - (Uоп – Uвх)=2Uвх

В течение второго полупериода опорного напряжения образуются два других контура через диоды VD2 и VD 4. В этом случае направле­ние тока в нагрузке сохраняется и величина его также пропорциона­льна разности напряжений, равной Uвых=2Uвх

При изменении фазы входного напряжения на 180° выходной сигнал демодулятора будет пропорционален величине Uвых=-2Uвх.

Коэффициент передачи двухполупериодного демодулятора при иде­альных диодах равен

где R0=R1=R2=R3=R4 - сопротивление в плече моста.

Ключи на биполярных транзисторах могут переключать напряжение и ток, поэтому они используются для коммутации аналоговых сигналов в схемах взаимного преобразования цифровой и аналоговой информации. Для построения прецизионных аналоговых ключей можно использовать биполярные интегральные транзисторы. На рис.7.3,а приведена схема прерывателя (ключа напряжения) на двух транзисторах. В лаборатор­ной панели П5 для построения ключа напряжения использована микро­схема I59HTIE, которая имеет пару транзисторов (рис.7.3,6).

На рис.7.4 приведена схема однополупериодного модулятора на двухтранзисторном ключе. Здесь транзисторы являются пассивными пе­реключателями и их усилительные свойства не используются.

В ключевом режиме опорное (коммутирующее) напряжение подво­дится к цепи эмиттер-база, а цепь, коллектор-коллектор используется как прерыватель тока. Моментами отпирания и запирания транзистор­ного ключа управляет прямоугольное опорное напряжение, поступающее через трансформатор T1. Транзисторы открываются в одном из полупе­риодов Uоп, а запираются в другом. При подаче на вход модулятора сигнала постоянного тока на его выходе получим промодулированный сигнал переменного тока с частотой» равной частоте опорного напря­жения.

Коэффициент передачи рассматриваемого модулятора дня идеаль­но идентичных транзисторов Км=2/n.

На рис.7.5 приведена схема однополупериодного демодулятора на двухтранзисторном ключе. Принципиальное отличие схемы демодулятора (рис.7.5) от схемы модулятора (рис.7.4) заключается в том, что входным сигналом для схемы демодулятора является переменное напряжение, которое либо совпадает по фазе с опорным, либо находится в противофазе с ним. Оба транзистора отпираются и запираются одно­временно. В результате на выходе демодулятора образуется пульсиру­ющее напряжение, амплитуда которого в идеальном случае равна ам­плитуде входного сигнала, а знак зависит от фазы входного напряже­ния. Коэффициент передачи идеального однополупериодного демодуля­тора на транзисторных ключах Кдм=1/n.

На рис.7.6 представлена схема модулятора, построенная на опе­рационном усилителе с бесконтактным ключом, выполненном на двух транзисторах VT1 и VT2 (на панели П5 использована микросхема I59HTIE). На вход ОУ подается сигнал постоянного тока, на бескон­тактный аналоговый ключ - опорное напряжение, которое периодически замыкает или размыкает ключ. Если ключ замкнут, то ОУ инвертирует входной сигнал, при разомкнутом ключе ОУ является неинвертируюшим. Таким образом, сигнал постоянного тока, поданный на вход, будет промодулирован с частотой опорного сигнала Uоп.

Эта схема (рис.7.6) будет работать как демодулятор, если на вход ОУ подать переменное напряжение, а на ключ - опорное напряже­ние той же частоты.

Достоинством схемы является возможность получения коэффициен­та передачи модулятора (демодулятора) Коэффициент передачи схемы (рис.7.6) для идеальных ОУ и аналогового ключа равен

Операционные усилители в таких схемах позволяют уменьшить число используемых ключей, повысить входное и уменьшить выходное сопро­тивления.

Ключевой фазовый дискриминатор (КФД) предназначен для работы в импульсных системах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) высо­кой точности. В таких системах фазовые сдвиги между ведущей и ве­домой последовательностями составляют сотые доли периода. В некоторых системах оперная последовательность может иметь пропуски им­пульсов. Блок-схема КФД и временная диаграмма, поясняющая ого ра­боту, приведены на рис.7.7. На входы триггера Т с раздельным за­пуском поступают импульсы опорной последовательности Uоп и ведо­мой Uвед, имеющие некоторую временную задержку относительно Uоп. Прямоугольный импульс с выхода триггера у передается на вход ге­нератора пилообразного напряжения ГПН, на выходе которого формиру­ется линейно нарастающее напряжении Uгпн. Ключ Кл замыкается сигналом с выхода триггера T и напряжение Uгпн поступает на конденсатор хранения C.

С приходом дискриминируемого (ведомого) импульса Uвед и ключ Кл размыкается, ГПН возвращается в исходное состояние. Напряжение на конденсаторе хранения Uс в этом случае зависит от амплитуды пило­образного напряжения и, следовательно, от фазового сдвига т между импульсами Uоп и Uвед. При запертом ключе Кл напряжение Uс уменьшается за счет разряда конденсатора через суммарное сопротивление утечек, в основном, через входное сопротивление согласующего устрой­ства СУ. Этот разряд конденсатора в промежутке между импульсами определяет амплитуду пульсаций Uпульс. Дискриминатор в системе ФАПЧ будет работать тем лучше, чем меньше амплитуда пульсаций. На­пряжение и с выхода СУ поступает в систему ФАПЧ. Из принципа дей­ствия следует, что рассматриваемый дискриминатор принципиально мо­жет работать при весьма малых фазовых сдвигах. Если фазовый сдвиг будет превосходить некоторое максимальное значение , равное максимальной длительности пилообразного напряжения Uгпн, то на вы­ходе ГПН будет иметь место трапецеидальное напряжение; это соответ­ствует участку насыщения на статической характеристике дискримина­тора. Исследуемый фазовый дискриминатор определяет последователь­ность Uвед всегда как отстающую.

Конденсатор хранения допускает использование дискриминатора при наличии некоторого количества пропусков импульсов в последова­тельности Uвед.

Принципиальная схема КФД приведена на рис.7.8; она совпадает с изображением на лицевой панели П5 "КФ ДИСКРИМИНАТОР И МОДУЛЯТО­РЫ".

Импульсы ведущей (Uоп) и ведомой (Uвед) последовательностей поступают соответственно на входы С и R триггера D1 - формировате­ля прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна интервалу времени от прихода импульса ведущей последовательности до прихода импульса ведомой последовательности. Сигналы с выходов триггера через согласующие устройства (на схеме не показаны) по­ступают на входы управления ключей (элементы D2, D4), которые определяют режим работы дискриминатора.

В момент поступления прямоугольного импульса размыкается ключ D2, шунтирующий конденсатор C1 интегратора на элементе D3, и замы­кается ключ D4, связывающий выход повторителя D5 с конденсатором хранения C2. На выходе интегратора D3 формируется пилообразное на­пряжение, поступающее на повторитель D5.

В момент окончания прямоугольного импульса замыкается ключ d2, шунтирующий конденсатор C1, происходит сброс интегратора, и одновременно размыкается ключ D4, связывающий конденсатор хранения с выходом повторителя D5. На конденсаторе хранения C2 сохраняется напряжение, пропорциональное длительности, прямоугольного импульса. Этот сигнал через повторитель D6 поступает на выход дискриминатора.

Схема КФД построена на интегральных элементах: D1 - двойной d-триггер K1551M2; D3, D5, D6- биполярно-полевой операционный усилитель КР544УД2А; D2, D4- аналоговые ключи КР590КН5. Микросхема КР590КН5 содержит четырехканальные ключи со схемой управления каж­дым каналом; ключи нормально замкнутые, для управления ключами по­даются напряжения , .

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ ПАНЕЛИ П5

"КФ ДИСКРИМИНАТОР И МОДУЛЯТОРЫ"

Лицевая сторона панели (рис.7.9), на которой нанесены графи­ческие изображения элементов, размещенных на печатных платах, со­стоит из трех блоков: "МОДУЛЯТОРЫ", "ВХОДНЫЕ СИГНАЛЫ", " "КЛЮЧЕВОЙ ФАЗОВЫЙ ДИСКРИМИНАТОР".

Вольтметр переменного тока V1 и вольтметр постоянного, тока V2 служат для измерения сигналов на входе и выходе исследуемых схем.

Блок "ВХОДНЫЕ СИГНАЛЫ" содержит:

генератор прямоугольных импульсов G (элемент 1) с кварцевой стабилизацией частоты;

элементы регулирования амплитуды (0,1-5 В) выходных сигналов генератора - потенциометры R1, R2;

полосовые фильтры (элементы 2 и 3) с резонансными частотами 5000 Гц и 560 Гц соответственно;

усилители мощности сигналов синусоидальной формы - 5, 7;

усилители мощности сигналов прямоугольной, формы - 6, 8;

регулируемый делитель постоянного напряжения R3 - Я5;

формирователь ведущей последовательности импульсов - 4;

регулятор задержки и формирователь ведомой последовательности импульсов - 9. Заданная величина задержки выбираемся установкой четырех тумблеров 0-1 в положения, соответствующие таблице, изо­браженной на лицевой стороне панели (0- левое положение, 1- правое положение переключателя).

Частота ведущей и ведомой последовательностей импульсов (вхо­дные сигналы для дискриминатора) - 50 Гц; максимальное время за­держки ведомой последовательности относительно ведущей 150 мкс.

Блок "МОДУЛЯТОРЫ" содержит:

кольцевую схему vdi - vd4, R1 - R4;

трансформаторы T1, T2;

транзисторный ключ напряжения (прерыватель) на VT1,VT2, R5, R6;

модулятор (демодулятор) на 0У16, VT3, VT4, R7-R12.

Блок "КЛЮЧЕВОЙ ФАЗОВЫЙ ДИСКРИМИНАТОР" содержит:

триггер 10 - формирователь прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна интервалу времени от прихода импуль­са ведущей последовательности до прихода импульса ведомой последо­вательности;

интегратор на ОУ12, VD1, C1,R2 -R4 с ключом сброса 11- форми­рователь линейно изменяющегося напряжения; повторители на 0У14, 15;

ключ 13 для развязки выхода повторителя на 0У14 и конденсатора хранения С2;

устройство хранения измеряемого сигнала - конденсатор хране­ния С2, резисторы R6 –R11 которые имитируют входное с противление, согласующего устройства и проходное сопротивление ключа. Максималь­ное выходное напряжение дискриминатора 10 В.