WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е.Алексеева»

Кафедра «Информационные радиосистемы»

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Основы техники радиоприема»

для студентов вузов направления 11.03.01 – «Радиотехника»

Нижний Новгород, 2015 Составители: Л.В.Когтева, А.А.Кузин УДК621.396.6 Детектирование амплитудно-модулированных сигналов: метод.

указания к лабораторной работе по курсу «Основы техники радиоприема» для студентов высших учебных заведений направления 11.03.01 – «Радиотехника» / НГТУ им. Р.Е.Алексеева; сост.: Л.В.Когтева, А.А.Кузин. – Нижний Новгород, 2015. - 32 с.

Приведены принципиальные схемы различных диодных детекторов, активного детектора и структурная схема синхронного детектора АМ сигналов.

Рассмотрены физические процессы в этих схемах с соответствующим математическим анализом и графическим материалом. Изложен порядок проведения экспериментальных исследований диодных, активного и синхронного детекторов АМ колебаний.



Редактор Э.Б. Абросимова Подп. к печ. 03.02.15. Формат 60х84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд.л.. Тираж 100 экз. Заказ Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.

Типография НГТУ, 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

© Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2015 СОДЕРЖАНИЕ 1 Цели работы……………………

2 Теоретическая часть

2.1 Общие сведения об амплитудно-модулированных колебаниях

2.2 Принципиальные схемы диодных детекторов АМ сигналов.. 5

2.3 Принцип детектирования диодных амплитудных детекто- 6 ров

2.4 Детекторная характеристика и коэффициент передачи...........9

2.5 Теория линейного и экспоненциального детектирования … 12

2.6 Нелинейные и частотные искажения ……………………….. 15 2.6.1 Нелинейные искажения за счет большой постоянной времени цепи нагрузки RC..…………………………………. 15 2.6.2. Нелинейные искажения за счет неравенства сопротивления нагрузки детектора постоянному и переменному току …………………………………………….. 17 2.6.3 Частотные искажения.………………………………… 18

2.7 Входные сопротивления амплитудных детекторов….…...... 19

2.8 Активный амплитудный детектор………………………….. 20

2.9 Синхронный детектор АМ сигналов.………….…………… 22 3 Контрольные вопросы

4 Экспериментальная часть

4.1 Принципиальная схема экспериментального устройства......... 27

4.2 Экспериментальные исследования последовательного амплитудного диодного детектора ………………………….......... 29

4.3 Экспериментальное исследование активного детектора …… 30

4.4 Экспериментальное исследование синхронного детектора … 31

4.5 Численное интегрирование передаточной функции ………… 31 Список литературы

1. Цели работы Изучить схемы и свойства детекторов амплитудно-модулированных сигналов. Приобрести навыки в измерении основных технических параметров различных амплитудных детекторов, работе со средствами измерений и анализе полученных результатов.

2. Теоретическая часть

2.1. Общие сведения об амплитудно-модулированных колебаниях Мгновенное значение напряжения амплитудно-модулированного (АМ) сигнала определяется выражением (1) uc (t ) U 0 [1 mн (t )] cos(0t 0 ) где U0 – амплитуда несущего высокочастотного колебания с угловой частотой 0 и начальной фазой 0; m – коэффициент глубины амплитудной модуляции; н (t ) – нормированное сообщение или модулирующая функция. Условие нормировки обычно имеет вид н (t ) 1.

Сообщение н (t ), как правило, имеет ограниченный по частоте спектр, расположенный в области частот от Fmin до Fmax. Для этого случая спектр АМ колебания (1) изображен на рис. 1. Из него видно, что ширина спектра АМ колебания определяется выражением F 2Fmax.

В спектре АМ сигнала отсутствуют спектральные составляющие модулирующей функции н (t ), поэтому из спектра АМ сигнала мы не можем получить спектр н (t ) путем линейной частотной фильтрации. Новые частотные составляющие на выходе цепи могут возникнуть при прохождении сигнала через параметрическую линейную либо через нелинейную цепи. Для получения модулирующей функции н (t ) из (1) используются детекторы АМ колебаний (амплитудные детекторы). В зависимости от способа выполнения амплитудные детекторы можно подразделить на параметрические (синхронные) детекторы, использующие линейную цепь с периодически меняющимися параметрами, и детекторы на основе нелинейной цепи. В зависимости от типа электронного прибора, реализующего нелинейную цепь, амплитудные детекторы подразделяют на диодные, транзисторные и т.д. Наибольшее распространение, вследствие своей простоты, получили диодные детекторы.

–  –  –

2.2. Принципиальные схемы диодных детекторов АМ сигналов Амплитудным детектором называется устройство, напряжение на выходе которого должно быть линейной функцией модулирующего напряжения входного амплитудно-модулированного сигнала. Поэтому напряжение на выходе амплитудного детектора (АД) должно изменяться в соответствии с законом огибающей входного АМ сигнала.

Различают два основных вида амплитудных диодных детекторов.

Диодный АД, построенный по схеме рис. 2 называют последовательным (с открытым входом), поскольку источник сигнала uc(t), диод VD и элементы нагрузки RC включены последовательно. Диодный АД, в котором сопротивление нагрузки R и диод VD включены параллельно (рис. 3), называют параллельным (с закрытым входом).

Rобр Ud ua iз

–  –  –

Рис. 2 Рис.3 Обычно последовательный детектор связан с колебательным контуром последнего каскада усилителя промежуточной частоты (УПЧ) трансформаторной связью, как показано на рис. 4.

Параллельная схема диодного амплитудного детектора может подключаться к резонансной нагрузке последнего каскада УПЧ непосредственно, как показано на рис. 5. В этой схеме постоянная составляющая коллекторного напряжения транзистора VТ отфильтровывается емкостью Ср и не прикладывается к диоду VD. В противном случае будет нарушена нормальная работа детектора.

–  –  –

2.3. Принцип детектирования диодных детекторов Напряжение Ud на выходе амплитудного детектора должно быть линейной функцией модулирующего напряжения н (t ). Из (1) видно, что амплитуда высокочастотного АМ колебания U m (t ) U 0 [1 mн (t )] изменяется по линейному закону в зависимости от модулирующей функции н (t ). Следовательно, выходное напряжение детекторов должно быть связано линейной зависимостью с огибающей амплитуд Um(t).

Для простоты пояснения принципа детектирования на вход последовательной схемы детектора (рис. 2) подадим гармоническое колебание u с (t ) U m sin0 t. Поскольку огибающей такого колебания является постоянное напряжение, равное Um, на выходе детектора должно быть также постоянное напряжение Ud, пропорциональное Um. Поясним принцип работы АД с временной точки зрения.

На рис. 6 изображены гармоническое колебание uc(t) и напряжение на нагрузке Ud, которое формируется следующим образом. При воздействии на детектор положительной полуволны uc(t) (начиная от t = 0) через диод VD протекает ток заряда iз (см. рис. 2), который заряжает конденсатор С до момента времени t1. Напряжение на диоде VD, как видно из схемы рис. 2, u a uc (t ) U d. Причем отрицательный потенциал Ud прикладывается к аноду диода. Следовательно, u a uc (t ) U d. Из рис. 6 видно, что в момент времени t1 выполняется равенство uc (t1 ) U d и ua 0. С этого момента времени диод закрывается, и конденсатор С начинает разряжаться (разрядный ток iр) через сопротивление R и частично через обратное сопротивление Rобр. Поскольку Rобр R, то разрядным током через Rобр можно пренебречь.

В интервале времени t1 t t2, как видно из рис. 6, напряжение на диоде u a [uc (t ) U d ] 0, и все это время диод закрыт. В результате емкость С разряжается до момента времени t2. Обычно внутреннее сопротивление открытого диода Ri R. Поэтому постоянная времени разряда р RC конденсатора С значительно больше постоянной времени заряда з Ri С и разряд конденсатора С протекает более медленно чем заряд.





Далее из рис. 6 видно, что при t2 t t3, напряжение на аноде uа 0, диод на этом интервале времени открыт и емкость снова заряжается. Процесс заряда и разряда емкости на каждом периоде uc(t) повторяется так же, как и до момента времени t2. Причем к моменту времени t3 емкость заряжается до большего напряжения, чем к моменту t1. Это объясняется тем, что разряд емкости протекает более медленно, чем заряд, и к моменту времени t2, на емкости имеется остаточное напряжение. В результате постепенно от периода к периоду uc(t) напряжение на емкости увеличивается. С течением времени напряжение на нагрузке Ud приближается к амплитуде uc(t), переходный процесс заканчивается и наступает установившийся (стационарный) режим. Переходный процесс заканчивается, когда заряд q, приобретаемый емкостью С во время заряда равен заряду q, отдаваемому емкостью во время разряда.

u uc(t) Ud Um

–  –  –

Напряжение на нагрузке Ud (рис. 6) имеет высокочастотные пульсации, обусловленные зарядом и разрядом емкости С. Они отфильтровываются низкочастотной частью приемника (фильтром низких частот). В стационарном режиме на выходе фильтра низких частот (ФНЧ) получим постоянное напряжение, близкое по уровню к амплитуде входного сигнала Um. Из рис. 6 можно заключить, что для описанного процесса детектирования необходимо, чтобы постоянная времени разряда р емкости С была много больше периода высокочастотного колебания Т0, т.е. р T0.

Уменьшение р приводит к увеличению пульсаций и уменьшению выходного напряжения Ud. Поскольку сопротивление нагрузки R детектора подключено параллельно емкости С, то ток Id, протекающий через это сопротивление, имеет такую же форму, как и Ud.

В процессе детектирования в соответствии с рис.6 ток через диод протекает в интервале времени 0 t1, t2 t3 и т.д. и, следовательно, имеет импульсный характер. Это означает, что по отношению к высокочастотному колебанию амплитудный детектор является нелинейной системой.

Если на вход детектора подать АМ колебание (1), то процесс детектирования будет протекать аналогично рассмотренному.

На рис.7,а изображен процесс детектирования АМ колебания при гармонической модуляции н (t ) cos t ; на рис. 7,б приведено напряжение Ud без учета пульсаций. После отфильтровывания постоянной составляющей Ud0 получаем напряжение, пропорциональное U 0 m н (t ).

u(t)

–  –  –

2.4. Детекторная характеристика и коэффициент передачи Амплитуда АМ колебания согласно (1) изменяется по закону U m (t ) U 0 1 m н (t ) U 0 U 0 m н (t ) (2) и состоит из постоянной составляющей U0 и напряжения, пропорционального н (t ).

Детекторной характеристикой амплитудного детектора называется функциональная зависимость выходного напряжения детектора на его нагрузке Ud или тока через нагрузку Id от амплитуды входного напряжения Um, т.е. это зависимости U d f1 (U m ) или I d f 2 (U m ). Для неискаженного воспроизведения н (t ) напряжение на выходе детектора Ud в соответствии с (2) должно быть связано с Um линейной зависимостью. Следовательно, детекторная характеристика должна быть линейной. Реальные детекторные характеристики для различных значений сопротивлений нагрузки детектора изображены на рис. 9. Из него видно, что начальный участок детекторной характеристики при малых амплитудах входного сигнала является криволинейным и, как показывают теоретические исследования, подчиняется приблизительно квадратичному закону, т.е.

U d U m. По мере увеличения Um детекторная характеристика становится все более линейной и при больших Um становится практически линейной.

Рассмотрим коэффициент передачи амплитудного детектора. В общем случае коэффициентом передачи амплитудного детектора Kd с учетом нелинейности детекторной характеристики понимают отношение бесконечно малого приращения выходного напряжения dUd к бесконечно малому приращения амплитуды входного напряжения dUm, т.е.

Kd является дифференциальной величиной:

dU d Kd. (3) dU m

–  –  –

Рис. 9 Для практически линейной части детекторной характеристики U Kd d. (4) Um На рис. 10 изображены графические зависимости K d f (U m ) для различных значений сопротивлений нагрузки детектора, полученные в соответствии с формулами (3), (4) и детекторными характеристиками рис. 9.

Рассмотрим более подробно характер изменения детекторной характеристики с помощью рис. 11, на котором изображена вольтамперная характеристика диода ia = f(Ua) и входные гармонические колебания с амплитудами Um1 и Um2, причем Um2 Um1. Будем предполагать, что постоянная времени разряда емкости в схемах рис. 2, 3 р T0.

При малой амплитуде входного напряжения, например Um1, как видно из рис. 11, крутизна S1 мала, следовательно, внутреннее сопротивление диода Ri велико и сравнимо или даже больше сопротивления нагрузки R, которое в транзисторных приемниках имеет порядок от нескольких единиц до нескольких десятков кОм. В результате значительная часть энергии входного сигнала рассеивается на диоде. Это приводит к тому, что при малых амплитудах входного сигнала коэффициент передачи детектора много меньше единицы (Kd 1), рис. 10.

При изменении амплитуды входного напряжения (но она остается сравнительно малой) изменяется внутреннее сопротивление диода Ri вследствие криволинейности начального участка вольтамперной характеристики. Изменение Ri приводит к изменению рассеиваемой на диоде мощности входного сигнала и, следовательно, и к изменению коэффициента передачи, для которого сохраняется условие Kd 1. Изменение же Kd в соответствии с (3) возможно только при нелинейном характере детекторной характеристики. Нелинейность начального участка детекторной характеристики можно также объяснить Кd тем, что при Ri, сравнимом с R, общее активное сопротивление детектора (Ri + R) имеет нелинейный характер.

При большой амплитуде Um2 входноR2 R1 R1 го сигнала (рис. 11) крутизна S2 значительно больше S1. Поэтому Ri R. На диоде рассеивается малая часть энергии входного сигнала и коэффициент передачи K d 1. В этом случае на какую величину Um Рис. 10 изменится Um, приблизительно на такую же величину изменится Ud.

При этом из рис. 11 можно заключить, что хотя S2 соответствует и в этом случае нелинейному участку ВАХ, но она будет изменяться в небольших пределах и ее можно считать величиной постоянной и равной средней крутизне Sср в окрестности S2. Следовательно, при больших амплитудах сигнала ВАХ диода можно заменить прямолинейной с крутизной, равной Sср. Естественно, что детекторная характеристика при этих условиях будет линейной. С другой стороны, при Ri R общее активное сопротивление цепи детектора (Ri + R) будет близко к линейному и выходное напряжение будет практически линейно зависеть от входного.

–  –  –

2.5 Теория линейного и экспоненциального детектирования В предыдущем параграфе отмечалось, что если в диодном детекторе Ri R ( R Ri 50 ), то при больших амплитудах входного сигнала осуществляется линейное детектирование, а вольтамперная характеристика (ВАХ) диода может быть заменена линейной функцией со средней крутизной Sср = S. Определим для этого режима коэффициент передачи детектора при подаче на вход детектора гармонического напряжения uc (t ) U m sin t,используя графики рис. 12.

Напряжение на диоде детектора, как было показано в 2.3 u a u c (t ) U d U m sin t U d.

В момент времени t1 (фазовый угол t1) ua = 0. Следовательно, u a U m sin t1 U d U m sin 2 U d U m cos U d 0.

Из этого выражения находим

–  –  –

Коэффициент передачи в соответствии с (4) Ud Kd cos.

Um Таким образом, для определения Kd необходимо вычислить угол отсечки тока диода. Анализ, поведенный в [3], показывает, что 3. (6) SR Из этого выражения следует, что угол отсечки тока диода не зависит от амплитуды входного напряжения Um. Следовательно, в соответствии с (5), Ud прямо пропорционально Um, т.е. детекторная характеристика является линейной. Это с физической стороны доказано в предыдущем параграфе.

Теория линейного детектирования имеет определенные недостатки.

Во первых, нам неизвестна средняя крутизна S ВАХ диода, которая входит в расчетные формулы Kd и. Во-вторых, при малых сопротивлениях нагрузки детектора R даже при больших амплитудах входного напряжения Ri может быть сравнимо с R и, следовательно, детекторная характеристика будет криволинейной. Это обстоятельство не может отражать линейная теория детектирования.

Наиболее точно работу амплитудного диодного детектора в общем случае отражает теория экспоненциального детектирования. Она справедлива как при малых амплитудах входного сигнала и сопротивлениях нагрузки R, так и при больших. До напряжения U0 0,5 В ВАХ диода сравнительно точно описывается экспонентой

–  –  –

вычисляем амплитуду входного напряжения Um =/. По полученным значениям Ud и Um строится детекторная характеристика, имеющая вид, аналогичный кривым рис. 9.

2.6. Нелинейные и частотные искажения 2.6.1. Нелинейные искажения за счет большой постоянной времени цепи нагрузки RC На рис. 13 изображен входной сигнал uc(t) с гармонической модуляцией. Огибающая амплитуд Um(t) изображена пунктирной линией, а напряжение на нагрузке Ud – сплошной. Из рис. 13 видно, что начиная с некоторого момента времени t = 0 модуль скорости убывания напряжения на нагрузке dU d dt, равный модулю скорости убывания напряжения на емкости С при ее разряде через сопротивление нагрузки R, меньше модуля

–  –  –

+Ек Рис. 14 Чтобы постоянная времени составляющая Ud0 (см. рис. 7) не попадала с нагрузки детектора на вход транзистора и не изменяла его режим по постоянному току, ставится разделительный конденсатор Ср.

Для постоянной составляющей тока детектора (см. рис. 14) сопротивление нагрузки равно R. Для переменной низкочастотной составляющей сопротивление нагрузки состоит из параллельного соединения R, R1, R2 и входного сопротивления транзистора Rвх. Сопротивлением емкости Ср пренебрегаем. Из сказанного ясно, что сопротивление нагрузки переменному току меньше, чем постоянному. За счет этого могут возникать нелинейные искажения типа отсечки. Поясним появление этих искажений.

Постоянная составляющая выходного напряжения детектора Ud0 (рис. 15, 14) выделяется на емкости Ср и распределяется между сопротивлениями R и параллельным соединением R1, R2 и Rвх (обозначим это сопротивление Rвх R1 || R2 || Rвх ). В результате на сопротивлении R постоянная составляющая напряжения равна UdR0. Пусть огибающая амплитуд на входе детектора Um и напряжение на выходе детектора Ud совпадают (рис. 15). На интервале времени t1 t t2 напряжение огибающей на входе детектора Um UdR0, диод на этом интервале времени закрывается, емкость Ср по экспоненте разряжается через R и Rвх и происходит отсечка нижней полуволны низкочастотного выходного напряжения детектора.

–  –  –

Рис. 16 Емкость С1 с суммой сопротивлений (R1 + R2) образуют нагрузку детектора, как в схеме рис. 2. Емкость С2 совместно с R1 образуют интегрирующий фильтр для уменьшения пульсаций высокочастотного напряжения. В этой схеме Rвх подключается только к части нагрузки детектора по постоянному току (полное сопротивление нагрузки детектора по постоянному току равно (R1 + R2)), т.е. к R2, за счет чего уменьшается неравенство сопротивлений нагрузки постоянному и переменному току. Одновременно R2 выполняет роль регулятора громкости. Обычно R1 =(0,1…0,2) R2.

2.6.3. Частотные искажения

В приведенных схемах амплитудных диодных детекторов в качестве нагрузки используется параллельное соединение емкости С и сопротивления R, которые образуют комплексное сопротивление Z. На этом сопротивлении выделяется напряжение, пропорциональное модулирующей функции н (t ), со спектром от Fmin до Fmax. При F = 0 и при гармоническом входном напряжении uc (t ) U m sin t модуль сопротивления Z имеет максимальное значение, равное R, а фазовая характеристика (F) = 0. С увеличением F модуль Z уменьшается, а (F) принимает отрицательные значения и при F Z 0, ( F ) / 2.

Уменьшение модуля Z приводит к уменьшению выходного напряжения детектора, а, следовательно, и к уменьшению коэффициента передачи Kd. Таким образом, с увеличением F коэффициент передачи Kd уменьшается, за счет чего возникают частотные искажения модулирующей функции н (t ) на выходе детектора. Величина этих искажений зависит от величины постоянной времени RC. Постоянная времени RC для отсутствия нелинейных искажений выбирается из условия (11), когда RC значительно меньше той величины, при которой необходимо учитывать частотные искажения модулирующей функции на выходе детектора. Поэтому при выборе значения RC согласно неравенству (11) частотными искажениями можно пренебречь.

В интервале частот спектра модулирующей функции от Fmin до Fmax фазовая характеристика (F) близка к линейной. Поэтому за счет фазовой характеристики происходит только задержка выходного напряжения по отношению к огибающей входного сигнала на время tз.

2.7. Входные сопротивления амплитудных детекторов

Определим входное сопротивление диодных амплитудных детекторов при действии на входе гармонического колебания uc (t ) U m sin t.

Ток через диод (см. рис. 12) в этом случае представляется периодической последовательностью импульсов с постоянным максимальным значением.

Гармоническое напряжение на входном колебательном контуре создается только первой гармоникой этого тока, поскольку за счет фильтрующих свойств контура токи остальных гармоник напряжения на нем практически не создают. Причем первая гармоника тока почти совпадает по фазе с входным напряжением. Поэтому входное сопротивление детектора Zвх, как отношение комплексной амплитуды входного напряжения Um комплексной амплитуде первой гармоники тока Im1, можно считать чисто активным и определить по формуле Rвх U m / I m1.

Наиболее просто входные сопротивления детекторов находятся исходя из баланса мощностей колебаний на входе и на выходе детекторов.

–  –  –

2.8. Активный амплитудный детектор Схема активного амплитудного диодного детектора, выполненная на базе операционного усилителя (ОУ), изображена на рис. 17. Напряжение сигнала uc(t) подается на неинвертирующий вход широкополосного операционного усилителя постоянного тока (интегральная схема), к выходу которого подключен последовательный амплитудный диодный детектор.

Он состоит, как и в схеме рис. 2, из диода VD и параллельного соединения емкости С и сопротивления R = R1 + R2.

–  –  –

Коэффициент усиления ОУ имеет очень большую величину, порядка нескольких тысяч или десятков тысяч. Поэтому Кн 1.Полагая также, что Кd 1 и К0 Кн из последней формулы получаем K ад 1 /.

Например, при = 0,01 K ад 100 K d, т.е. активный диодный детектор за счет введения ОУ обеспечивает значительно больший коэффициент передачи, чем обычный амплитудный детектор. Однако K ад K 0, поскольку в активном детекторе осуществляется отрицательная обратная связь по огибающей АМ сигнала.

Отрицательная обратная связь, также как и в усилителях колебаний низкой частоты, позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения при детектировании АМ колебаний, которые рассмотрены в предыдущих параграфах.

Для обеспечения линейного детектирования на входе активного детектора требуется значительно меньшее напряжение uc(t) (приблизительно в К0 раз), чем на входе обычного детектора. Таким образом, за счет применения ОУ улучшается чувствительность активного АД и расширяется динамический диапазон детектируемых сигналов.

2.9. Синхронный детектор АМ сигналов Диодные амплитудные детекторы при сравнительно низких уровнях сигнала имеют нелинейную детекторную характеристику (п.2.4), что приводит к нелинейным искажениям модулирующей функции на выходе детектора. Кроме того, за счет большой постоянной времени цепи нагрузки (п.2.6.1) также возникают нелинейные искажения модулирующей функции. За счет неравенства сопротивления нагрузки детектора постоянному и переменному току (п.2.6.2) возникают нелинейные искажения модулирующей функции типа «отсечки». Этих недостатков нет в синхронных детекторах АМ сигналов.

Структурная схема синхронного амплитудного детектора изображена на рис. 18. В состав синхронного амплитудного детектора входят перемножитель сигналов (ПС), фильтр низких частот (ФНЧ), гетеродин (Г), с которого на перемножитель сигналов подается гармоническое колебание u г (t ) U г cos( г t г ). (13) Напряжение на выходе ПС с учетом (1) и (13) u пс u c (t )u г (t ) U 0 [1 m н (t )] cos(0 t 0 )U г cos( г t г ).

После тригонометрических преобразований получаем uпс U гU 0 [1 m н (t )]{cos[( 0 г )t 0 г ] cos[( 0 г )t 0 г ]}

–  –  –

Напряжение АМ сигнала подается на вход ПС и на вход двухстороннего амплитудного ограничителя АО. Напряжение АМ сигнала показано на рис. 20,а, а входное напряжение ограничителя – на рис. 20,б. Оно представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов, которые синхронны и синфазны с колебанием АМ сигнала. В принципе эту периодическую последовательность импульсов можно подавать в качестве опорного колебания на ПС. При этом на выходе ПС получим напряжение, пропорциональное модулирующей функции, и сумму гармонических колебаний с частотами 0, 20, …, которые отфильтровываются ФНЧ К такому выводу можно прийти, если периодическую последовательность импульсов разложить в ряд Фурье и провести анализ синхронного детектировании такой же, как и при получении (14).

В реальной ситуации вместе с сигналом на вход ПС действуют колебания помех, которые приводят к дополнительной амплитудной и паразитной фазовой модуляциям сигнала. Амплитудная модуляция снимается ограничителем АО, а фазовая модуляция на его выходе остается. В результате этого последовательность импульсов будет иметь фазовую (частотную) модуляцию. Для ее ослабления, т.е. для уменьшения действия помех, последовательность импульсов подается на узкополосный резонансный фильтр УРФ, резонансная частота которого равна частоте сигнала 0. Этот фильтр выделяет только первую гармонику последовательности импульсов, которая изображена на рис. 20,в. Это колебание практически синхронно и синфазно с колебанием сигнала, поскольку на резонансной частоте фазовый сдвиг у фильтра равен нулю.

Следует также отметить, что прием АМ сигналов на синхронный детектор обладает повышенной помехоустойчивостью по отношению к флуктуационным шумам по сравнению с приемом на диодный детектор при уровнях шумов близких и больше уровня сигнала.

–  –  –

3. Контрольные вопросы

1. Напишите выражение для мгновенного значения напряжения АМ колебания. Какова ширина спектра АМ колебания? Можно ли из спектра АМ колебания выделить модулирующую функцию путем линейной частотной фильтрации?

2. Изобразите принципиальные схемы последовательного и параллельного амплитудных детекторов, расскажите о назначении элементов схемы.

3. Расскажите о принципе детектирования диодным амплитудным детектором. Изобразите осциллограммы напряжения на нагрузке детекторов при воздействии на их вход гармонического и АМ колебаний.

4. В каком соотношении должны находиться постоянные времени заряда и разряда емкости нагрузки RC? Когда заканчивается переходный процесс детектирования? Почему постоянная времени цепи разряда емкости нагрузки должна быть больше периода высокочастотного колебания? Почему по отношению к высокочастотному колебанию амплитудный детектор является системой нелинейной?

5. Дайте определение детекторной характеристики. Почему при малых входных сигналах она криволинейная, а при больших – становится практически линейной? Как изменяется детекторная характеристика при изменении активного сопротивления нагрузки? Какой зависимостью должно быть связано выходное напряжение детектора с огибающей амплитуд входного напряжения?

6. Дайте определение коэффициента передачи амплитудного детектора.

Почему он является дифференциальным и почему увеличивается с увеличением амплитуды сигнала и активного сопротивления нагрузки?

7. Расскажите о линейной теории детектирования, ее достоинствах и недостатках. При каких условиях она справедлива? Как определяется коэффициент передачи, и какой вид имеет детекторная характеристика? Зависит ли угол отсечки от амплитуды входного напряжения?

Преимущества теории экспоненциального детектирования.

8. Какие виды нелинейных искажений возникают в амплитудном детекторе и почему? Необходимые условия отсутствия нелинейных искажений. Каковы причины возникновения частотных и фазовых искажений при амплитудном детектировании?

9. Как определяются входные сопротивления последовательного и параллельного детекторов? Почему входные сопротивления считаются активными?

10. Изобразите принципиальную схему активного детектора. Расскажите назначение элементов схемы. Зачем вводится обратная связь по низкочастотному напряжению? Каковы преимущества активного детектора?

11. Принцип работы синхронного детектора. Его преимущества и недостатки.

12. Принцип работы синхронного детектора при формировании опорного напряжения из АМ сигнала.

4. Экспериментальная часть

4.1. Принципиальная схема экспериментального устройства.

Принципиальная схема экспериментального устройства изображена на рис. 21. Устройство состоит из последовательного амплитудного детектора, собранного на диоде VD1, активного детектора, собранного на операционном усилителе 1УТ401А, и синхронного детектора, собранного на микросхеме К174УР3.

–  –  –

В качестве нагрузки обычного детектора в различных режимах работы используются сопротивления R5, R8, R9 емкости С4, С6, и С7. Роль нагрузки в активном детекторе выполняют сопротивление R = R6 + R7 и емкость С5.

АМ сигнал от генератора стандартных сигналов подается на вход детекторов через коаксиальный разъем «Вх1». Переключателем П2.1 входной сигнал подключается к входу обычного или активного детектора. Сопротивление R2 включено для согласования выходного сопротивления генератора с нагрузкой. Сопротивление R4 служит для выравнивания выходных токов входов 9 и 10 микросхемы.

Переключатель П1состоит из двух секций П1.1 и П1.2. С помощью первых 4-х положений (1, 2, 3, 4) секции П1.1 к диоду VD1 подключается нагрузка из различного сочетания сопротивлений R5, R8, R9 емкостей С4, С6, и С7. С помощью этих же положений П1.2 напряжение с нагрузки подается через разъем «Вых» на вход вольтметра В3-38, который измеряет переменную составляющую низкочастотного напряжения.

Основная нагрузка последовательного диодного амплитудного детектора состоит из емкости С4 и сопротивления R5, при которых детекторная характеристика имеет сравнительно малый криволинейный участок.

В положении 1 переключателя П1.1 параллельно R5 подключается R8. Результирующее сопротивление нагрузки детектора RR 10 1 Rн 5 8 0,9 кОм. При таком относительно малом активном R5 R8 10 1 сопротивлении нагрузки, как показано в п.2.4, детекторная характеристика имеет криволинейный характер, а коэффициент передачи значительно меньше единицы. В положении 2 подключается основная нагрузка из С4 и R5. Детекторная характеристика становится более линейной и коэффициент передачи детектора увеличивается.

В положении 3 переключатель П1.1 параллельно основной нагрузке подключается емкость С6. В результате емкость цепи нагрузки значительно увеличивается и постоянная времени цепи нагрузки н R5 (C 4 C6 ) не удовлетворяет условию (11). В детекторе возникают нелинейные искажения за счет большой постоянной времени н. Эти искажения можно визуально наблюдать на экране осциллографа. Для этого осциллограф подключается к разъему «Вых».

В положении 4 переключателя П1 напряжение с нагрузки детектора подается на выход через цепочку С7, R9, которая моделирует разделительную емкость Ср и входное активное сопротивление Rвх следующего усилительного элемента (см. рис.14). Поскольку R5 = R9, то возникает неравенство нагрузки постоянному и переменному току, за счет чего возникают нелинейные искажения, описанные в п.2.6.2. Эти искажения наблюдаются визуально на экране осциллографа.

Положение 5 П1 позволяет наблюдать на экране осциллографа напряжение с выхода синхронного детектора. И, наконец, в положении 6 П1 нагрузка активного детектора подключается к вольтметру или осциллографу через разъем «Вых». С помощью вольтметра снимается детекторная характеристика, а с помощью осциллографа наблюдается низкочастотное напряжение.

Интегральная микросхема К174УР3 содержит усилительограничитель, перемножитель сигналов (см. рис.19) и усилитель низкой частоты. В ней отсутствует УРФ, и на перемножитель в качестве опорного колебания подается периодическая последовательность прямоугольных импульсов (рис. 20,б). Сигнал на вход микросхемы подается с разъема «Вх2» через малогабаритный импульсный трансформатор (МИТ).

4.2. Экспериментальные исследования последовательного амплитудного диодного детектора Перед началом работы необходимо проверить калибровку генератора стандартных сигналов и установить частоту входного сигнала f0 = 500 кГц.

Задание 1. На вход экспериментального устройства подайте АМ колебание u c (t ) U 0 (1 m cos t ) cos 0 t с частотой несущего колебания f 0 0 / 2 500 кГц, частотой гармонической модуляции F / 2 1000 Гц и глубиной АМ m = 0,1 (10 %).

Снимите зависимость коэффициента передачи K d dU d / dU m U d / U m f (U 0 ), (см. п. 2.4), при изменении амплитуды несущего колебания U0 в пределах 50…500 мВ с интервалом 50 мВ, при двух сопротивлениях нагрузки Rн1 R5 || R8 0,9 кОм (положение 1 переключателя П1) и Rн2 R5 10 кОм (положение 2 переключателя П1) и емкости нагрузки С4. В выражении для Кd Ud,m – малое, но конечное приращение соответствующего напряжения.

Из выражения для АМ колебания uс(t) видно, что Um = mU0. Приращение выходного напряжения детектора Ud равно показанию вольтметра Ud~, измеряющего низкочастотное напряжение нагрузки. Тогда K d U d ~ / m U 0 f (U 0 ). Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

По данным таблицы постройте графики функции K d f (U 0 ) для двух значений сопротивлений нагрузки Rн1 и Rн2 и экстраполируйте их к началу координат.

Таблица Экспериментальные данные последовательного амплитудного детектора U0, мВ mU0, мВ Ud ~, мВ Кd =Ud ~/ mU0 … Задание 2. С помощью численного интегрирования функции K d f (U 0 ), методика которого изложена в п. 4.5, постройте детекторные характеристики U d 0 (U 0 ) для 2-х указанных в задании сопротивлений нагрузки. Здесь Ud0 - постоянная составляющая выходного напряжения детектора.

На основании качественного анализа кривых K d f (U 0 ) и U d 0 (U 0 ) сделайте заключение о ширине нелинейного и линейного участков детектирования и о зависимости кривизны детекторных характеристик и коэффициента передачи от величины активного сопротивления нагрузки.

Задание 3. Наблюдайте на экране осциллографа и зарисуйте осциллограмму напряжения на выходе детектора

а) при нормальной постоянной времени нагрузки ( н R5C 4 ),

б) при постоянной времени нагрузки н R5 (C 4 C6 ), превышающей допустимую величину,

в) при учете влияний переходной цепочки С7, R9.

Объясните причину появления нелинейных искажений в последних двух случаях. При наблюдении осциллограмм установить m = 0,8 - 0,9. На рисунках укажите положения оси времени с учетом постоянной составляющей.

4.3. Экспериментальное исследование активного детектора Задание 4. Тумблер напряжения питания на панели лабораторного макета поставьте в положение «12,6 В». На вход активного детектора с генератора стандартных сигналов подается АМ колебание с U0 1мВ и m = 0,1. Изменяя U0 в пределах 0,1…1 мВ с шагом 0,1 мВ, снимите зависимость K d f (U 0 ), как в задании 1 п. 4.2. По результатам измерений постройте график K d f (U 0 ) и экстраполируйте его к началу координат.

Сравните полученный график с аналогичными из задания 1 п. 4.2.

Методом численного интегрирования вычислите детекторную характеристику U d 0 (U 0 ) и постройте ее на одном графике с детекторной

Похожие работы:

«http://institutemvd.by УДК 378.148 МЕДИАОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ОПЕРАТИВНО-МОБИЛЬНЫМ РЕПОРТЕРАМ ВЕДОМСТВЕННЫХ ФЕДЕРАЛЬНЫХ И РЕГИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЦУКС И УИ МЧС РОССИИ А. А. Маченин Объединенная редакция МЧС России...»

«V Уральский демографический форум Information about the author Mamadalieva Khafiza Holdarovna (Tashkent, Uzbekistan) – Candidate of Economics, Director of Republican Scientific-Practical Center "Oila" (5, Mustakilik Sq., Tashkent, 100000, Uzbekistan; e-mail: mhafiza@mail.ru). УДК 39(470.51):314 Никитина Г.А. ДЕМОГРАФИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕН...»

«ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Сер. 12. 2009. Вып. 1. Ч. I Н. А. Леонова ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ КАК УСЛОВИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО МЫШЛЕНИЯ БУДУЩЕГО ВОЕННОГО ИНЖЕНЕРА Современные экономические и производственные отношения требуют от современно...»

«ОКП 4213 СЧЕТЧИК ЖИДКОСТИ АКУСТИЧЕСКИЙ АС-001 Руководство по эксплуатации ЦПП9-0.00.00 РЭ 2001 г. СОДЕРЖАНИЕ Введение..3 1. Назначение..4 2. Технические требования..8 3. Устройство и принцип работы.13 4. Маркирование и пломбирование.15 5. Обеспечение мер безопасности.16 6. Монтаж и подготовка к работе..17 7. Поря...»

«© Современные исследования социальных проблем (электронный научный журнал), №9(17), 2012 www.sisp.nkras.ru УДК 159.95 ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ ПАМЯТИ КАК ОДИН ИЗ МЕХАНИЗМОВ РАЗВИТИЯ САМОСОЗНАНИЯ ДЕТЕЙ В ПОДРОСТКОВЫЙ КРИЗИС Катеринина А.А. В статье рассматри...»

«ООО “Фирма “Альфа БАССЕНС” ОКП 42 1522 УДК 543.257.5 Анализатор кондуктометрический промышленный АКП-01-2К Руководство по эксплуатации НЖЮК.421522.006.05РЭ Москва 2005 СОДЕРЖАНИЕ Стр.1. ОПИСАНИЕ И РАБОТА 1.1 НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ 6 1.2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИ...»

«ПЕДАГОГИКА № 7 (43) / 2015 Кондрашова Н. В. Прогнозирование и исправление студенческих ошибок при обучении иностранным языкам / Н. В. Кондрашова // Научный диалог. — 2015. — № 7 (43). — С. 27—47. УДК 372.881.1 Прогнозирование и исправление студенческих оши...»

«Сер. 6. 2008. Вып. 4 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА О. В. Михайлов МЕХАНИЗМЫ ОТЧУЖДЕНИЯ В НОВОМ СИМВОЛИЗМЕ Механизмы функционирования, как и генезис форм современного символизма, в настоящее время мало изучены. Попытки некоторых исследователей выстроить констелляцию п...»

«Содержание программы: 1.Пояснительная записка Направленность программы Особенность программы Практическая значимость Новизна программы Контингент обучающихся Подход к распределению учебного материала Домашняя работа обучающихся Сроки и этапы реализации...»










 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.