Работа 8. Амплитудная модуляция

 

Работа «Амплитудная модуляция» предназначена для изучения

временных и спектральных характеристик периодических сигналов.

Она содержит четыре задания:

1. Снятие статической модуляционной характеристики (СМХ) амплитудного модулятора на полевом транзисторе с квадратичной стоко-затворной характеристикой и установка оптимального режима его работы.

2. Снятие СМХ амплитудного модулятора на полевом транзисторе с кусочно-линейной стоко-затворной характеристикой и установка оптимального режима его работы.

3. Повторение задания 2 при другой величине амплитуды несущего колебания (параметр СМХ).

4. Исследование влияния добротности нагрузочного колебательного контура на глубину модуляции выходного напряжения амплитудного модулятора.

 

Задание 1

Используйте нелинейный преобразователь на полевом транзисторе (ПТ) в качестве амплитудного модулятора при модуляции смещением. Для этого выберите:

1) квадратичную характеристику НЭ с напряжением отсечки U_ОТС = @U В (пункт меню «Характеристика НЭ» / «Квадратичная...»),

2) колебательный контур (LC) в качестве нагрузки, настроив его на частоту f несущего колебания (f₀ = f = 15 кГц) с добротностью Q = 10 (пункт меню «Нагрузка» / «Колебательный контур...»).

Снимите статическую модуляционную характеристику (СМХ) вида I₁ = f(Е_СМ) при Е₁ = 0, 5|U_ОТС|. Для этого:

1) активизируйте пункт меню «Исследование ФХ»;

2) выберите в качестве аргумента ФХ Е_СМ, установите интервал и шаг его изменения;

3) установите значение параметра Е₁;

4) выберите в качестве функции I₁.

Зафиксируйте схему амплитудного модулятора и график СМХ. Выберите на СМХ рабочий участок и определите параметры оптимального режима (Е_{СМ ОПТ}, U_{МОД МАКС}, m).

Установите оптимальный режим работы модулятора, используя гармонический модулирующий сигнал с частотой F = 1 кГц (пункты меню «Сигнал» / «Бигармонический...»). Зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы модулятора в оптимальном режиме;

2) спектры входного и выходного напряжений и тока стока полевого транзистора в удобном и едином масштабе по осям f.

Варианты: 1) U = –2 В; 2) U = –3 В; 3) U = –4 В; 4) U = –5 В; 5) U = –6 В.

 

Комментарии и выводы

В исследуемой схеме амплитудного модулятора в качестве безынерционного нелинейного элемента используется полевой транзистор. Он служит для обогащения спектра реакции (тока стока) боковыми колебаниями, которые отсутствуют во входном напряжении. В качестве нагрузки в цепи стока включен колебательный контур – простейший полосовой фильтр. Он предназначен для выделения полезных составляющих спектра выходного тока (несущего и боковых колебаний) и подавления всех остальных побочных продуктов нелинейного преобразования. Для этого он настраивается на несущую частоту, а ширина его полосы пропускания устанавливается соответствующей ширине спектра АМ сигнала.

Статическая модуляционная характеристика (СМХ) амплитудного модулятора представляет собой зависимость амплитуды 1-ой гармоники выходного тока нелинейного элемента (I₁) от модулирующего

фактора при подаче на вход модулятора несущего колебания с фиксированной амплитудой U_ВХ (параметр СМХ). В данной схеме модулирующим фактором является напряжение смещения Е_СМ. Таким образом, в данном случае, СМХ это I₁ = f (Е_СМ) при U_ВХ = Е₁ = const [Л. 2, стр. 67, рис. 3.17].

СМХ необходима для определения оптимального режима работы амплитудного модулятора, т.е. оптимальных значений исходного напряжения смещения и максимальной амплитуды модулирующего сигнала, при которых достигается наибольшая величина коэффициента модуляции m при допустимом уровне нелинейных искажений. Оптимальные параметры модуляции соответствуют выбору в качестве рабочего участка относительно линейной области СМХ. Абсцисса его середины определяет оптимальную величину напряжения смещения (Е_{СМ ОПТ}), а протяженность по оси аргумента – максимально допустимую двойную амплитуду модулирующего сигнала (Е_{W МАКС}). Соответствующий максимально допустимый коэффициент модуляции m_ДОП = DI₁/I_{1 СР}.

 

Задание 2

Повторение задания 1 при другой форме функциональной характеристики НЭ. Используйте нелинейный преобразователь на полевом транзисторе (ПТ) в качестве амплитудного модулятора при модуляции смещением. Для этого выберите:

1) кусочно-линейную характеристику НЭ с напряжением отсечки U_ОТС = @U В (пункт меню «Характеристика НЭ» / «Кусочно-линейная...»);

2) идеальный полосовой фильтр (ПФ) в качестве нагрузки, настроив его на частоту f несущего колебания (f₀ = f = 10 кГц) с шириной полосы пропускания df = 3 кГц.

Снимите и зафиксируйте статическую модуляционную характеристику (СМХ) вида I₁ = f(Е_СМ) при Е₁ = 0, 5|U_ОТС|. Для этого:

1) активизируйте пункт меню «Исследование ФХ»;

2) выберите в качестве аргумента ФХ Е_СМ, установите интервал и шаг его изменения;

3) установите значение параметра Е₁;

4) выберите в качестве функции ток I₁.

Выберите на СМХ рабочий участок и определите параметры оптимального режима (Е_{СМ ОПТ}, U_{МОД МАКС}, m). Установите оптимальный режим работы модулятора, используя гармонический модулирующий сигнал с частотой F = 1 кГц (пункты меню «Сигнал» / «Бигармонический...»).

Зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы модулятора в оптимальном режиме;

2) спектры входного и выходного напряжений и тока стока полевого транзистора.

Варианты: 1) U = –2 В, 2) U = –3 В, 3) U = –4 В, 4) U = –5 В, 5) U = –6 В.

 

Комментарии и выводы

См. комментарии и выводы к заданию 1.

Задание 3

Повторение задания 2 при Е₁=0, 25|U_ОТС|. Используйте нелинейный преобразователь на полевом транзисторе (ПТ) в качестве амплитудного модулятора при модуляции смещением. Для этого выберите:

1) кусочно-линейную характеристику НЭ с напряжением отсечки U_ОТС =@U В (пункт меню «Характеристика НЭ» / «Кусочно-линейная...»);

2) идеальный полосовой фильтр (ПФ) в качестве нагрузки, настроив его на частоту f несущего колебания (f₀ = f = 20 кГц) с шириной полосы пропускания df = 3 кГц (пункт меню «Нагрузка» / «Полосовой фильтр»).

Снимите и зафиксируйте статическую модуляционную характеристику (СМХ) вида I₁ = f(Е_СМ) при Е₁ = 0, 25|U_ОТС|. Для этого:

1) активизируйте пункт меню «Исследование ФХ»;

2) выберите в качестве аргумента ФХ Е_СМ, установите интервал и шаг его изменения;

3) установите значение параметра Е₁;

4) выберите в качестве функции ток I₁.

Выберите на СМХ рабочий участок и определите параметры оптимального режима (Е_{СМ ОПТ}, U_{МОД МАКС}, m). Установите оптимальный режим работы модулятора, используя гармонический модулирующий сигнал с частотой F = 1 кГц (пункты меню «Сигнал» / «Бигармонический...»).

Зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы модулятора в оптимальном режиме;

2) спектры входного и выходного напряжений и тока стока полевого транзистора.

Варианты: 1) U = –2 В, 2) U = –3 В, 3) U = –4 В, 4) U = –5 В, 5) U = –6 В.

 

Комментарии и выводы

См. комментарии и выводы к заданию 1.

 

Задание 4

Исследуйте влияние добротности Q нагрузочного LC контура на глубину модуляции выходного напряжения амплитудного модулятора Для этого, используя оптимальный режим работы модулятора при значении несущей частоты f = 20 кГц (из задания 3), наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы выходного напряжения для следующих случаев:

1) нагрузка – идеальный ПФ с шириной полосы df = 3 кГц;

2) нагрузка – LC контур с Q = 10;

3) нагрузка – LC контур с Q = 20;

4) нагрузка – LC контур с Q = 40.

Сделайте выводы по результатам наблюдений.

 

Комментарии и выводы

Нагрузка (двухполюсник) в цепи выходного тока НЭ в схеме амплитудного модулятора выполняет две функции:

1) преобразование выходного тока НЭ в выходное напряжение модулятора,

2) фильтрацию (выделение) полезных составляющих в спектре выходного тока и подавление всех побочных продуктов нелинейного преобразования.

Идеальным фильтром амплитудного модулятора является полосовой фильтр (ПФ) с прямоугольной формой его АЧХ. При использовании в качестве ПФ простого колебательного контура наблюдается снижение коэффициента модуляции выходного напряжения по отношению к выходному току, что объясняется разной величиной модуля сопротивления нагрузки на частотах несущего и боковых колебаний. Чем выше добротность колебательного контура Q, тем эта разница больше и в большей степени уменьшается коэффициент модуляции выходного напряжения. В частности, при ширине полосы пропускания колебательного контура 2Δ F* = f_О /Q (на уровне 0, 707), совпадающей с шириной спектра простого АМ сигнала Δ F_АМ = 2F_МОД, коэффициент модуляции АМ сигнала по напряжению уменьшается на 29, 3% по сравнению с коэффициентом модуляции по току.

 

Контрольные вопросы

 

1. В чем сущность амплитудной модуляции? Напишите аналитическое выражение АМ сигнала.

2. Что называют коэффициентом модуляции m? Как его можно определить по осциллограмме и спектрограмме АМ сигнала?

3. Нарисуйте спектр простого АМ сигнала.

4. Каков спектр сложного АМ сигнала?

5. От чего зависит ширина спектра АМ сигнала?

6. Укажите причины низкой энергетической эффективности амплитудной модуляции.

7. Нарисуйте векторную диаграмму простого АМ сигнала.

8. Нарисуйте схему параметрического амплитудного модулятора. Укажите назначение ее элементов.

9. Нарисуйте схему нелинейного амплитудного модулятора. Укажите назначение ее элементов.

10. Укажите подходящую нагрузку нелинейного элемента в нелинейной схеме амплитудного модулятора.

11. Определите теоретический предел количества радиовещательных станций с амплитудной модуляцией, которые можно разместить в диапазоне волн 1–5 м, считая, что максимальная модулирующая частота 10 кГц.

12. Определите добротность колебательного контура приемника, уменьшающего на 29, 3% коэффициент модуляции простого АМ сигнала с несущей частотой 300 кГц при модулирующей частоте 6 кГц.

13. Что такое СМХ?

14. Как по СМХ определяют оптимальный режим работы амплитудного модулятора?

15. Нарисуйте векторную диаграмму простого АМ сигнала.

16. Определите коэффициент модуляции по осциллограмме простого АМ сигнала.

17. Определите коэффициент модуляции по спектрограмме простого АМ сигнала.

18. Определите мощности: пиковую, среднюю и боковых колебаний, выделяемую в резисторе с сопротивлением 75 Ом АМ током .

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: