Работа 9. Детектирование АМ сигналов

Работа «Детектирование АМ сигналов» содержит четыре задания:

1. Снятие характеристики детектирования амплитудного детектора на полевом транзисторе с кусочно-линейной стоко-затворной характеристикой и определение оптимального режима его работы.

2. Исследование зависимости формы выходного напряжения детектора от значения несущей частоты АМ сигнала.

3. Снятие характеристики детектирования амплитудного детектора на полевом транзисторе с квадратичной стоко-затворной характеристикой и определение оптимального режима его работы.

4. Исследование зависимости формы выходного напряжения детектора от значения коэффициента модуляции АМ сигнала при квадратичной характеристике детектирования.

 

Задание 1

Исследуйте работу нелинейного преобразователя на полевом транзисторе (ПТ) в качестве амплитудного детектора. Для этого выберите:

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

2) нагрузку в виде ФНЧ + ФВЧ (с F_в = 1 кГц и F_н = 0, 1 кГц).

Снимите характеристику детектирования (ХД) вида I₀ = f(E₁) при Е_СМ = U_ОТС. Для этого:

1) активизируйте пункт меню «Исследование ФХ»;

2) выберите в качестве аргумента ФХ E₁, установите интервал и шаг его изменения;

3) установите значение параметра Е_СМ;

4) выберите в качестве функции ток I₀.

Зафиксируйте схему амплитудного детектора и график ХД. Выберите на ХД линейный рабочий участок и определите оптимальную амплитуду Е_1ОПТ несущего колебания АМ сигнала (при m = 1), при которой полностью используется этот участок ХД без захода в область насыщения функциональной характеристики НЭ.

Выберите в качестве входного простой АМ сигнал (пункт меню «Сигнал» / «Простой АМ сигнал»). Установите оптимальную величину напряжения смещения Е_СМ, Е₁ = Е_1ОПТ, модулирующую частоту F = 1 кГц, коэффициент модуляции m = 1 и несущую частоту f = 30 кГц.

Наблюдайте и зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы детектора,

2) осциллограмму выходного напряжения детектора,

3) спектры входного и выходного напряжений, а также тока стока ПТ в удобном и едином масштабе по осям частот.

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 детектора в качестве безынерционного нелинейного элемента используется полевой транзистор. Он служит для обогащения спектра реакции (тока стока) низкочастотными колебаниями, которые отсутствуют во входном напряжении. В качестве нагрузки в цепи стока включен ФНЧ 1-го порядка – резистор R, зашунтированный конденсатором С. Этот фильтр предназначен для выделения полезных составляющих спектра выходного тока (низкочастотных) и подавления всех остальных побочных продуктов нелинейного преобразования. Для этого его частота верхнего среза Fвс выбирается из условия F < Fвс < f, где F – максимальная частота в спектре модулирующего сигнала, f – несущая частота входного АМ сигнала. Разделительный конденсатор Ср является элементом ФВЧ 1-го порядка и служит для устранения постоянной составляющей в выходном напряжении детектора.

Статическая характеристика детектирования (ХД) амплитудного детектора представляет собой зависимость постоянной составляющей выходного тока нелинейного элемента I₀ от амплитуды входного гармонического сигнала Е₁ с фиксированным напряжением смещения Е_СМ (параметр ХД)

I₀ = f (Е₁) при u_ВХ = Е₁cos 2пft.

ХД используется для определения оптимального режима работы амплитудного детектора, т.е. оптимальных значений исходного напряжения смещения и оптимальной амплитуды несущего колебания, при которых достигается наибольшая величина выходного напряжения при допустимом уровне нелинейных искажений. Оптимальные параметры соответствуют выбору в качестве рабочего участка относительно линейной области ХД. Абсцисса его середины определяет оптимальную амплитуду несущего колебания, а ширина – максимально допустимую амплитуду входного АМ сигнала (при m = 1).

При кусочно-линейной функциональной характеристике транзистора (режим сильного сигнала) ХД является линейной, и детектирование происходит без нелинейных искажений.

 

Задание 2

Исследуйте зависимость формы выходного напряжения детектора от значения несущей частоты f АМ сигнала. Для этого наблюдайте и зафиксируйте в отчете осциллограммы и спектрограммы выходного напряжения детектора и АЧХ его нагрузки в оптимальном режиме (из задания 1) для случаев:

1) f = 30 кГц;

2) f = 20 кГц;

3) f = 10 кГц.

Обратите внимание на качество фильтрации несущей частоты и сделайте выводы по результатам наблюдений.

 

Комментарии и выводы

Качество детектирования (степень очистки реакции НЭ от побочных продуктов преобразования) существенно зависит от соотношения несущей f и максимальной модулирующей F частот входного АМ сигнала с одной стороны и от качества (порядка) нагрузочного ФНЧ детектора.

Чем сильнее неравенство f > F и чем выше порядок нагрузочного ФНЧ, тем лучше фильтрация полезных составляющих реакции НЭ и выше качество детектирования, что подтверждается результатами проведённого опыта.

 

Задание 3

Используйте нелинейный преобразователь на полевом транзисторе (ПТ) в качестве амплитудного детектора. Для этого выберите:

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

2) нагрузку в виде ФНЧ + ФВЧ (с F_в = 1 кГц и F_н = 0, 1кГц).

Снимите характеристику детектирования (ХД) вида I₀ = f(E₁) при Е_СМ = U_ОТС. Для этого:

1) активизируйте пункт меню «Исследование ФХ»;

2) выберите в качестве аргумента ФХ E₁, установите интервал и шаг его изменения;

3) установите значение параметра Е_СМ;

4) выберите в качестве функции ток I₀.

Зафиксируйте схему амплитудного детектора и график ХД. Выберите на ХД рабочий участок и определите оптимальную амплитуду Е_1ОПТ несущего колебания АМ сигнала (при m = 1), при которой полностью используется этот участок ХД без захода в область насыщения функциональной характеристики НЭ.

Выберите в качестве входного простой АМ сигнал (пункты меню «Сигнал» / «Простой АМ сигнал»). Установите оптимальную величину напряжения смещения Е_СМ, Е₁ = Е_1ОПТ, модулирующую частоту F = 1 кГц, коэффициент модуляции m = 1 и несущую частоту f = 30 кГц.

Наблюдайте и зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы детектора;

2) осциллограмму выходного напряжения детектора;

3) спектры входного и выходного напряжений, а также тока стока ПТ в удобном и едином масштабе по оси частот.

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 детектора в качестве безынерционного нелинейного элемента используется полевой транзистор. Он служит для обогащения спектра реакции (тока стока) низкочастотными колебаниями, которые отсутствуют во входном напряжении. В качестве нагрузки в цепи стока включен ФНЧ 1-го порядка – резистор R, зашунтированный конденсатором С. ФНЧ предназначен для выделения полезных составляющих спектра выходного тока (низкочастотных) и подавления всех остальных побочных продуктов нелинейного преобразования. Для этого его частота верхнего среза Fвс выбирается из условия F < Fвс < f, где F – максимальная частота в спектре модулирующего сигнала, f – несущая частота входного АМ сигнала. Разделительный конденсатор Ср является элементом ФВЧ 1-го порядка и служит для устранения постоянной составляющей в выходном напряжении детектора.

Статическая характеристика детектирования (ХД) амплитудного детектора представляет собой зависимость постоянной составляющей выходного тока нелинейного элемента I₀ от амплитуды входного гармонического сигнала Е₁ с фиксированным напряжением смещения Е_СМ (параметр ХД)

I₀ = f (Е₁) при u_ВХ = Е₁cos 2пft.

ХД необходима для определения оптимального режима работы амплитудного детектора, т.е. оптимальных значений исходного напряжения смещения и оптимальной амплитуды несущего колебания, при которых достигается наибольшая величина выходного напряжения при допустимом уровне нелинейных искажений. Оптимальные параметры соответствуют выбору в качестве рабочего участка относительно линейной области ХД. Абсцисса его середины определяет оптимальную амплитуду несущего колебания, а ширина – максимально допустимую амплитуду входного АМ сигнала (при m = 1).

При квадратичной функциональной характеристике транзистора (режим слабого сигнала) ХД является квадратичной, и детектирование происходит с заметными нелинейными искажениями. Степень этих искажений, характеризуемая коэффициентом гармоник k_г, зависит от величины коэффициента модуляции m АМ сигнала k_г = 0, 25m.

 

Задание 4

Исследуйте зависимость формы выходного напряжения детектора от значения коэффициента модуляции m АМ сигнала при квадратичной характеристике детектирования (ХД). Для этого наблюдайте и зафиксируйте в отчете нормированные осциллограммы и спектрограммы выходного напряжения детектора в оптимальном режиме (из предыдущего задания) для случаев:

1) m = 1;

2) m = 0, 5;

3) m = 0, 25.

Обратите внимание на связь нелинейных искажений выходного сигнала с коэффициентом модуляции m.

Сделайте выводы по результатам наблюдений.

 

Комментарии и выводы

При квадратичной функциональной характеристике транзистора (режим слабого сигнала) характеристика детектирования является квадратичной, вследствие чего детектирование происходит с заметными нелинейными искажениями. Степень этих искажений, характеризуемая коэффициентом гармоник k_г, зависит от величины коэффициента модуляции m АМ сигнала

k_г = 0, 25m.

Справедливость этой формулы подтверждается спектрограммами реакции НЭ (тока стока транзистора) в проведенном эксперименте.

 

Работа 10. Преобразование частоты сигналов

На нелинейной основе

Работа «Преобразование частоты сигналов на нелинейной основе» содержит четыре задания:

1. Снятие функциональной характеристики (ФХ) вида I_ПР = f(E_СМ) и определение оптимальной величины Е_СМ преобразователя частоты на полевом транзисторе.

2. Снятие ФХ вида I_ПР = f(E₁) и определение максимальной амплитуды E₁ преобразователя частоты на полевом транзисторе.

3. Снятие ФХ вида I_ПР = f(E_СМ) и определение оптимальной величины E_СМ преобразователя частоты на биполярном транзисторе.

4. Снятие ФХ вида I_ПР = f(E₁) и определение максимальной амплитуды E₁ преобразователя частоты на биполярном транзисторе.

 

Задание 1

Используйте нелинейный преобразователь на полевом транзисторе (ПТ) в качестве преобразователя частоты. Для этого выберите:

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

2) идеальный полосовой фильтр (ПФ) в качестве нагрузки, настроив его на частоту f = 21 кГц с шириной полосы пропускания dF = 3 кГц;

3) колебание гетеродина с амплитудой Е_Г = 0, 25|U_ОТС| и частотой F_Г = @F кГц.

Снимите функциональную характеристику (ФХ) преобразователя частоты вида I_ПР = f(E_СМ) при Е₁ = Е_Г. Для этого:

1) активизируйте пункт меню «Исследование ФХ»;

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

3) установите значение параметра Е₁;

4) выберите в качестве функции I_ПР.

Зафиксируйте схему преобразователя частоты и график ФХ. Определите по ФХ оптимальную величину E_СМ, обеспечивающую максимальную величину I_ПР при работе на квадратичном участке характеристики ПТ.

Варианты: 1) U = –1 B, F = 13 кГц; 2) U = –2 B, F = 15 кГц;

3) U = –4 B, F = 13 кГц; 4) U = –8 B, F = 15 кГц.

 

Комментарии и выводы

В исследуемой схеме преобразователя частоты в качестве безынерционного нелинейного элемента используется полевой транзистор. Он служит для обогащения спектра реакции (тока стока) колебаниями

комбинационных частот (суммарных и разностных), которые отсутствуют во входном напряжении. В качестве нагрузки в цепи стока включен полосовой фильтр. Он предназначен для выделения полезных составляющих спектра выходного тока (комбинационных колебаний суммарных частот) и подавления всех остальных побочных продуктов нелинейного преобразования. Для этого он настраивается на промежуточную (в данном случае суммарную) частоту f_пр = f_г + f, а ширина его полосы пропускания устанавливается соответствующей ширине спектра входного АМ сигнала.

Функциональная характеристика (ФХ) преобразователя частоты, снимаемая в данном эксперименте, представляет собой зависимость амплитуды I_пр составляющей выходного тока нелинейного элемента с промежуточной частотой f_пр от напряжения смещения Е_СМ. Таким образом, в данном случае ФХ это I_пр = f (Е_СМ) при U_ВХ = Е₁ = const и Е_г = const. ФХ позволяет определить оптимальное значение напряжения смещения, при котором достигается наибольшая величина выходного напряжения промежуточной частоты при отсутствии заметных искажений в выходном сигнале.

 

Задание 2

Снимите функциональную характеристику (ФХ) преобразователя частоты вида I_ПР = f(E₁) при исходных данных и оптимальной величине E_СМ из задания 1. Для этого:

1) активизируйте пункт меню «Исследование ФХ»;

2) выберите в качестве аргумента ФХ Е₁, установите интервал и шаг его изменения;

3) установите значение параметра E_СМ;

4) выберите в качестве функции I_ПР.

Зафиксируйте график ФХ и определите по нему максимальную амплитуду входного сигнала Е_1МАКС, при которой преобразование частоты не сопровождается искажениями огибающей.

Подайте на вход преобразователя частоты простой АМ сигнал с модулирующей частотой F = 1 кГц, коэффициентом модуляции m = 1, несущей частотой f = f_ПР – F_Г и Е₁ = 0, 5Е_1МАКС (пункты меню «Сигнал» / «Простой АМ сигнал...»).

Зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы преобразователя частоты;

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

Варианты: 1) F = 13 кГц, 2) F = 15 кГц.

 

Комментарии и выводы

В исследуемой схеме преобразователя частоты в качестве безынерционного нелинейного элемента используется полевой транзистор. Он служит для обогащения спектра реакции (тока стока) колебаниями

комбинационных частот (суммарных и разностных), которые отсутствуют во входном напряжении. В качестве нагрузки в цепи стока включен полосовой фильтр, предназначенный для выделения полезных составляющих спектра выходного тока (комбинационных колебаний суммарных частот) и подавления всех остальных побочных продуктов нелинейного преобразования. Для этого он настраивается на промежуточную (в данном случае суммарную) частоту f_пр = f_г + f, а ширина его полосы пропускания устанавливается соответствующей ширине спектра входного АМ сигнала.

Функциональная характеристика (ФХ) преобразователя частоты, снимаемая в данном эксперименте, представляет собой зависимость амплитуды I_пр составляющей выходного тока нелинейного элемента с

промежуточной частотой f_пр от амплитуды входного сигнала Е₁ при оптимальной величине напряжения смещения Е_СМ. Таким образом, в данном случае, ФХ это I_пр = f (Е₁) при Е_СМ = const и Е_г = const. Она позволяет определить допустимое значение амплитуды входного сигнала, при котором достигается наибольшая величина выходного напряжения промежуточной частоты при допустимом уровне нелинейных искажений. Оптимальные параметры соответствуют выбору в качестве рабочего участка относительно линейной области этой ФХ. Абсцисса его середины определяет оптимальную величину амплитуды несущего колебания входного АМ сигнала.

 

Задание 3

Используйте нелинейный преобразователь на биполярном транзисторе (БТ) в качестве преобразователя частоты сигнала. Для этого выберите:

1) экспоненциальную характеристику НЭ (пункты меню «Характеристика НЭ» / «Экспоненциальная...»);

2) идеальный полосовой фильтр (ПФ) в качестве нагрузки, настроив его на частоту f = 8 кГц с шириной полосы пропускания dF = 3 кГц;

3) колебание гетеродина с амплитудой Е_Г = 0, 5 В и частотой F_Г = @F кГц.

Снимите функциональную характеристику (ФХ) преобразователя частоты вида I_ПР = f(E_СМ) при Е₁ = Е_Г. 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 I_ПР.

Зафиксируйте схему преобразователя частоты и график ФХ. Определите по ФХ оптимальную величину E_СМ, обеспечивающую максимальную величину I_ПР при работе на квадратичном участке характеристики ПТ.

Варианты: 1) F = 13 кГц, 2) F = 15 кГц.

 

Комментарии и выводы

В исследуемой схеме преобразователя частоты в качестве безынерционного нелинейного элемента используется биполярный транзистор. Он служит для обогащения спектра реакции (тока стока) колебаниями комбинационных частот (суммарных и разностных), которые отсутствуют во входном напряжении. В качестве нагрузки в цепи стока включен полосовой фильтр. Он предназначен для выделения полезных составляющих спектра выходного тока (комбинационных колебаний разностных частот) и подавления всех остальных побочных продуктов нелинейного преобразования. Для этого он настраивается на промежуточную (в данном случае разностную) частоту f_пр = f – f_г, а ширина его полосы пропускания устанавливается соответствующей ширине спектра входного АМ сигнала.

Функциональная характеристика (ФХ) преобразователя частоты, снимаемая в данном эксперименте, представляет собой зависимость амплитуды I_пр составляющей выходного тока нелинейного элемента с частотой f_пр от напряжения смещения Е_СМ. Таким образом, в данном случае, ФХ это I_пр = f (Е_СМ) при U_ВХ = Е₁ = const и Е_г = const. Она позволяет определить оптимальное значение напряжения смещения, при котором достигается наибольшая величина выходного напряжения промежуточной частоты.

 

Задание 4

Снимите функциональную характеристику (ФХ) преобразователя частоты вида I_ПР = f(E₁) при исходных данных и оптимальной величине E_СМ из задания 3. Для этого:

1) активизируйте пункт меню «Исследование ФХ»;

2) выберите в качестве аргумента ФХ E₁, установите интервал и шаг его изменения;

3) установите значение параметра E_СМ;

4) выберите в качестве функции I_ПР.

Зафиксируйте график ФХ и определите по ней максимальную амплитуду входного сигнала Е_1МАКС, при которой преобразование частоты не сопровождается искажениями огибающей.

Подайте на вход преобразователя частоты простой АМ сигнал с модулирующей частотой F = 1 кГц, коэффициентом модуляции m = 1, несущей частотой f = f_ПР + F_Г и Е₁ = 0, 5Е_1МАКС (пункты меню «Сигнал» / «Простой АМ сигнал...»).

Зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы преобразователя частоты,

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

Варианты: 1) F = 13 кГц, 2) F = 15 кГц.

 

Комментарии и выводы

В исследуемой схеме преобразователя частоты в качестве безынерционного нелинейного элемента используется биполярный транзистор. Он служит для обогащения спектра реакции (тока стока) колебаниями комбинационных частот (суммарных и разностных), которые отсутствуют во входном напряжении. В качестве нагрузки в цепи стока включен полосовой фильтр. Он предназначен для выделения полезных составляющих спектра выходного тока (комбинационных колебаний разностных частот) и подавления всех остальных побочных продуктов нелинейного преобразования. Для этого он настраивается на промежуточную (в данном случае разностную) частоту f_пр = f – f_г, а ширина его полосы пропускания устанавливается соответствующей ширине спектра входного АМ сигнала.

Функциональная характеристика (ФХ) преобразователя частоты, снимаемая в данном эксперименте, представляет собой зависимость амплитуды I_пр составляющей выходного тока нелинейного элемента с частотой f_пр от амплитуды входного сигнала Е₁ при оптимальной величине напряжения смещения Е_СМ. Таким образом, в данном случае, ФХ это I_пр = f (Е₁) при Е_СМ = const и Е_г = const. Она позволяет определить допустимое значение амплитуды входного сигнала, при котором достигается наибольшая величина выходного напряжения промежуточной частоты при допустимом уровне нелинейных искажений. Оптимальные параметры соответствуют выбору в качестве рабочего участка относительно линейной области этой ФХ. Абсцисса его середины определяет оптимальную величину амплитуды несущего колебания входного АМ сигнала.

 

Параметрические преобразования сигналов

 

В работах этого цикла используется аналоговая система передачи непрерывных сообщений (СПНС) (рис. 23). Она состоит из передатчика, содержащего два параметрических преобразователя с открытыми входами s1(t) и s2(t) и сумматора для сложения их реакций. Параметрический преобразователь состоит из перемножителя сигналов и генератора гармонических колебаний несущей частоты. Благодаря фазовращателю несущие колебания подаются на входы перемножителей с фазовым сдвигом 90°. Знак этого фазового сдвига можно менять с помощью переключателя (опции) на блоке фазовращателя. Имеется возможность регулировки частоты несущего колебания движковым регулятором в пределах 10–30 кГц. Для приведения этого регулятора в активное состояние (по умолчанию он пассивен) следует щелкнуть левой кнопкой мышки по блоку генератора. На этом же блоке воспроизводится текущее значение установленной частоты.

Для выбора сигналов на входах s1(t) и s2(t) необходимо открыть пункт меню «Сигналы» (рис. 24), щелкнуть по надписи s1(t) или s2(t), установить нужный сигнал в появившемся генераторе сигналов (рис. 14) и нажать кнопку пуска любого канала осциллографа. Кроме того, сигнал s2(t) можно связать с s1(t) напрямую s2(t) = s1(t), преобразованием Гильберта s2(t) = H[s1(t)] и сделать равным 0 или 1 В. Установленные таким образом сигналы буду «привязаны» к соответствующим входам передатчика при всех последующих пусках измерительных каналов до тех пор, пока не будут заново переустановлены по вышеуказанной процедуре.

В линии связи возможны регулировки отношения сигнал/шум в диапазоне от 0 до 100 и фазового сдвига от 0 до 180° соответствующими движковыми регуляторами («с/ш» и «Фаза»). Кроме того, при щелчке левой кнопкой мышки по надписи «Линия связи» «всплывает» форма «Многолучевой канал» (рис. 25). Она позволяет использовать модель многолучевого (до 10 лучей) распространения сигнала. Каждый луч может быть включен или выключен включателем на его блоке. Щелчком по блоку выбранного луча можно вывести форму для установки коэффициента его передачи k и запаздывания τ (рис. 26).

Приемник СПНС содержит два синхронных детектора с общим опорным генератором, состоящих из перемножителей сигналов и ФНЧ. Частота и фаза опорных колебаний жестко привязаны к несущим колебаниям передатчика (по умолчанию).

Предусмотрены регулировки ширины полосы пропускания ФНЧ в пределах от 1 до 10 кГц и расстройки частоты опорного колебания относительно несущего в пределах от –1 до +1 кГц. Регулятор расстройки включается щелчком по блоку генератора левой, а выключается – правой кнопкой мышки.

Описанная структура СПНС позволяет реализовать в передатчике любые виды линейной модуляции (АМ, БМ, ОМ и КАМ) и прием таких сигналов в приемнике. Кроме того, передатчик может быть трансформирован в параметрический преобразователь частоты при выборе s2(t) = H[s1(t)], а синхронные детекторы в приемнике становятся фазовыми детекторами при подаче на их вход ФМ сигнала.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: