2015-05-10
1249
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Юго-Западный государственный университет»
Кафедра Телекоммуникаций
| УТВЕРЖДАЮ Первый проректор – проректор по учебной работе ___________Е.А. Кудряшов «_____»_____________2012 г. |
Исследование детекторов ЧМ сигналов
Методические указания
по выполнению лабораторной работы № 7
по курсу «Теория электрической связи»
Курск 2012
УДК 621.391 (075)
Составители: С.Г. Лукьянюк
Рецензент
Кандидат технических наук, доцент С.Н. Михайлов
Исследование детекторов ЧМ сигналов [Текст]: методические указания по выполнению лабораторной работы № 7 по курсу «Теория электрической связи» / Юго-Западный гос. ун-т; сост.: С.Г. Лукьянюк. Курск, 2012. 13 с.: ил.5, табл. 2.
Содержит методические указания по выполнению лабораторной работы № 7 «Исследование детекторов ЧМ сигналов» по курсу «Теория электрической связи».
|
|
|
Методические указания соответствуют требованиям типовой программы, утверждённой УМО по специальности Телекоммуникации, и рабочей программы дисциплины «Теория электрической связи».
Предназначены для студентов специальностей 210400.68, 210402.65, 210404.65, 210406.65 дневной и заочной форм обучения.
Текст печатается в авторской редакции
Подписано печать. Формат 60х841/16.
Усл. печ. л. 0,7. Уч.-изд. л. Тираж экз. Бесплатно
Юго-Западный государственный университет.
305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94
Оглавление
| 1. Цель работы | |
| 2. Краткая характеристика исследуемых цепей и сигналов | |
| 3. Домашнее задание | |
| 4. Основы теории | |
| 5. Лабораторное задание | |
| 6. Методические указания | |
| 7. Отчёт | |
| 8. Контрольные вопросы |
1 Цель работы
Экспериментальное исследование частотного детектора. Выбор оптимального режима детектирования.
2 Краткая характеристика исследуемых цепей и сигналов
В данной работе используется универсальный лабораторный стенд со сменным блоком ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ, упрощённая принципиальная схема которого приведена на рис. 1.
| мкА |
| С1 |
| С2 |
| С3 |
| С4 |
| С6 |
| С7 |
| С8 |
| С9 |
| R1 |
| R2 |
| R3 |
| R4 |
| R5 |
| R6 |
| R7 |
| EСМ |
| EС |
| КТ 1 |
| КТ 2 |
| КТ 4 |
| VT1 |
| VT2 |
| VT3 |
| A1 |
| VD1 |
| VD2 |
| L1 L2 |
| L3 L4 |
| f01 |
| f02 |
| ФБЦ |
| КТ 3 |
| М О Д У Л Я Т О Р Д Е Т Е К Т О Р |
| С5 |
Рисунок 1 – Схема сменного блока ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ
В качестве источника ЧМ сигнала в данной работе используется частотный модулятор, рассмотренный в лабораторной работе №6. Выход частотного модулятора (гнездо КТ2 на рис. 1) соединяется перемычкой со входом частотного детектора (гнездо КТ3). Выход частотного детектора (гнездо КТ4) соединен с микроамперметром, измеряющим постоянную составляющую тока детектора. Схема частотного детектора состоит из усилителя на полевом транзисторе VT3, в нагрузку которого включены два резонансных контура, настроенных на разные частоты (f 01 и f 02). Эти частоты расположены симметрично относительно несущей частоты ЧМ сигнала. Ток ЧМ сигнала с постоянной амплитудой, протекая через два расстроенных контура, вызывает на них падения напряжения, пропорциональные их сопротивлениям. Чем ближе мгновенная частота ЧМ сигнала к резонансной частоте контура, тем больше амплитуда напряжения на контуре и наоборот. Таким образом, линейная цепь (рассмотренный колебательный контур) преобразует ЧМ сигнал в сигнал, в котором и амплитуда, и частота меняются одновременно. Осциллограмма такого сигнала внешне очень похожа на АМ сигнал, но частота заполнения его меняется так же, как у входного ЧМ сигнала. Нагрузкой каждого контура является свой детектор огибающей (АМ детектор).
|
|
|
Выходные напряжения АМ детекторов (на резисторах R5 и R6) зависят от расстройки контуров относительно мгновенной частоты ЧМ сигнала. Для идеальной работы ЧМ детектора модуль полного сопротивления расстроенного контура должен меняться прямо пропорционально девиации частоты ЧМ сигнала. Однако на частотной характеристике контура имеется небольшой почти линейный участок в районе точки перегиба. Для увеличения ширины линейного участка характеристики детектирования применяют не один, а два симметрично расстроенных контура. Встречное включение диода (VD2) во втором детекторе огибающей позволяет в значительной степени компенсировать нелинейность склона АЧХ контура, а также компенсировать постоянную составляющую выходного сигнала.
Выходное напряжение ЧМ детектора (гнездо КТ3) равно разности напряжений на выходах АМ детекторов:
U вых = U R5 – U R6.
В работе также используются встроенные звуковой генератор (генератор НЧ), приборы постоянного и переменного напряжений, двухлучевой осциллограф и ПК, используемый как частотомер или анализатор спектра.
3 Домашнее задание
3.1 Изучите основные вопросы по конспекту лекций и литературе:
- Лукьянюк, С. Г. Теория электрической связи. Сигналы, помехи и системы передачи: учебное пособие. / С. Г. Лукьянюк, А. М. Потапенко / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2012. 235 с.;
- Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2005, с. 299¸300;
- Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Советское радио, 1977, с. 311¸316.
3.2 Оформите заготовку отчета. Выполните необходимые расчёты.
4 Основы теории
В спектрах ЧМ сигналов нет низкочастотной составляющей, соответствующей исходному моделирующему сигналу. Для того чтобы восставить сигнал сообщения необходимо осуществить детектирование – процесс, обратный модуляции. Детектирование, как и модуляция, – нелинейное преобразование сигнала. Нелинейный элемент обогащает спектр выходного сигнала новыми спектральными компонентами, а фильтр выделяет низкочастотные компоненты. В качестве нелинейных элементов при детектировании можно использовать транзисторы и полупроводниковые диоды. Чаще всего используются полупроводниковые диоды, причём применяются только точечные диоды, так как плоскостные диоды имеют большую входную ёмкость.
При детектирование ЧМ сигнала напряжение на выходе частотного детектора (ЧД) должно воспроизводить закон изменения мгновенной частоты входного сигнала. Поэтому для идеального ЧД
U вых(t) = S чд(t)∆ f (t), где S чд – крутизна характеристики ЧД. При этом предполагается, что ∆ f (t) и U вых(t) являются «медленными» функциями времени. В отличие от амплитудного детектора, для образования частот сообщения (низкочастотной компоненты) одного лишь нелинейного элемента недостаточно: нелинейность диода проявляется при изменении действующего на него напряжения, а не при изменении частоты. Поэтому для осуществления ЧМ детектирования требуются дополнительные преобразования.
|
|
|
Существует два класса ЧД: в одних детекторах ЧМ сигналы с помощью колебательного контура преобразуются в АМ сигналы, а потом детектируются, в других (дискриминатор, детектор отношений) – при детектировании ЧМ сигналов используется зависимость от частоты в колебательном контуре разности фаз между током и напряжением.
Основными характеристиками и параметрами ЧД являются:
1) семейство детекторных характеристик: ∆ U = F (f) при U 0 = const;
2) крутизна детекторной характеристики: S чд = ∆ U /∆ f;
3) диапазон частот ∆ f лин, в котором детекторная характеристика достаточно линейна;
4) входное сопротивление: R вх = U 0/ I 0;
5) минимальное U 0min и максимальное U 0max значения амплитуды входного сигнала, при которых гарантируются основные качественные показатели;
6) выходное сопротивление: R вых = U Ω/ I Ω, определяемое свойствами АД;
7) нелинейные искажения выходного сигнала:
.
Рассмотрим процесс детектирования высокочастотных ЧМ сигналов на примере некоторых схем ЧД первого типа. В этих детекторах используются:
- амплитудный ограничитель (АО) ЧМ сигнала;
- избирательная линейная цепь, преобразующая частотную модуляцию в амплитудную;
- амплитудный детектор.
АО ЧМ сигнала позволяет устранять нежелательные изменения амплитуды высокочастотного колебания, возникающие вследствие воздействия помех на радиосигнал при передаче ЧМ сигналов через избирательные цепи, при относительном изменении положения передатчика и приёмника ЧМ сигнала и т. д., и представляет собой сочетание нелинейного элемента и избирательной нагрузки. В качестве линейной цепи можно использовать любую электрическую цепь, обладающую неравномерной частотной характеристикой: RL -,RC - фильтры, колебательные контуры и т. д. Наибольшее применение получили колебательные цепи.
|
|
|
Самой простой является схема, в которой ЧМ сигнал с несущей f 0 подаётся на колебательный контур с частотой резонанса f p = f 0 (рис. 2, а). Добротность контура выбирается таким образом, чтобы при удвоенной девиации частоты рабочий участок амплитудно-частотной характеристики был линейным. В этом случае при изменении частоты ЧМ сигнала амплитуда напряжения на контуре U к(t) будет изменятся во времени в соответствии с законом модуляции f (t) (рис. 3).
| 
|
Рисунок 2 – Схемы простейшего (а) и дифференциального (б) ЧД
Рисунок 3 – К объяснению работы простейшего ЧД
Получившийся сигнал с изменяющейся амплитудой детектируется амплитудным детектором с RC-фильтром. Недостатком этой схемы является необходимость настройки контура на частоту, отличную от несущей ЧМ сигнала. Кроме того, резонансная кривая одиночного контура имеет небольшой линейный участок на скате характеристики. Из-за нелинейности склона резонансной кривой такие детекторы имеют большие нелинейные искажения.
В некоторой степени устранить этот недостаток позволяет схема дифференциального ЧД (рис. 2, б). ЧМ сигнал подаётся одновременно на два контура: резонансные частоты f p1 ≠ f p2 выбираются таким образом, чтобы несущая частота f 0 располагалась на середине линейного участка характеристики. Сигналы АД противофазны и вычитаются (отсюда и название схемы), что позволяет уменьшить нелинейные искажения.
Недостатком рассмотренных схем (рис.2) является зависимость выходного сигнала от уровня высокочастотного ЧМ сигнала (рис. 4). Для устранения этого влияния применяют амплитудные ограничители.
– относительная частота, Q – добротность контура, 
– отнoсительная амплитуда напряжения на выходе ЧД,
– постоянный коэффициент, 
– коэффициент связи контуров
Рисунок 4 – Семейство характеристик двухконтурного ЧД
Схемы ЧМ детекторов второго класса весьма слабо реагируют на изменение амплитуды сигнала и поэтому не содержат ограничителя. Эти схемы довольно широко применяются в приёмниках ЧМ сигналов, в устройствах автоматической подстройки частоты генераторов и др.
В этих схемах:
1) девиация частоты входного ЧМ колебания преобразуется в девиацию фазы другого напряжения;
2) девиация фазы преобразуется в амплитудную модуляцию напряжений, приложенных к диодам;
3) осуществляется амплитудное детектирование.
На рис. 5 приведены схема фазочастотного дискриминатора и график зависимости выходного напряжения от частоты.
Рисунок 5 – Схема фазочастотного дискриминатора (а) и
зависимость выходного напряжения от частоты (б)
5 Лабораторное задание
5.1 Проведите измерение характеристики детектирования и выберите оптимальный режим работы частотного детектора.
5.2 Проведите исследование сигналов на входе модулятора и выходе ЧД в оптимальном режиме и при отклонениях от него.
6 Методические указания
6.1 Измерение характеристики детектирования I 0 = φ2(f) производится при отсутствующем модулирующем сигнале (МЧМ = 0) путём измерения постоянной составляющей тока детектора в зависимости от изменяемой частоты входного сигнала. Для этого отключите модулирующий сигнал от входа модулятора (гнездо 1), между гнездами КТ2 и КТ3 установите перемычку. Управление частотой осуществляйте изменением смещения (Есм) в модуляторе. Измерение частоты на выходе модулятора (гнездо КТ2) производите с помощью ПК в режиме «Спектроанализатор», а тока I 0 – микроамперметром, расположенным над регулятором Есм.
6.1.1 Изменяя напряжение смещения (Есм) в соответствии с данными табл. 1 измерьте с помощью ПК (в режиме «Спектроанализатор») частоты модулятора и, одновременно с этим, ток детектора I 0.
Таблица 1 – Снятие статической модуляционной характеристики f = φ1(Есм) и характеристики детектирования I 0 = φ2(f)
| Есм, B | -0,5 | -1 | -1,5 | ………… | -6,5 | |
| f, кГц | ||||||
| I 0, мкА |
При заполнении таблицы 1 кроме указанных значений Есм добавьте те значения Есм и f, при которых I 0 принимает нулевое и экстремальные значения.
6.1.2 Повторите измерение характеристики детектирования с использованием генератора НЧ. Для этого отключите выход модулятора (КТ2) от входа частотного детектора (КТ3). Подключите выход генератора НЧ ко входу частотного детектора (КТ3). Установите амплитуду напряжение сигнала генератора НЧ, равным 1В. Изменяя частоту сигнала генератора НЧ, определите её значение f 0, при котором I 0 принимает нулевое значение («ноль» частотного детектора). Уменьшая и увеличивая частоту сигнала относительно f 0, проведите измерение зависимости I 0 = φ2(f). Полученные значения занесите в таблицу 2.
Таблица 2 – Снятие характеристики детектирования I 0 = φ2(f)
| f, кГц | f 0 | |||||
| I 0, мкА |
6.1.3 По данным табл. 1 и 2 постройте статическую модуляционную характеристику (СМХ) и характеристику детектирования (ХД). Из графика ХД определите значение несущей частоты f 0, соответствующее нулевому току детектора и максимальную девиацию частоты D f max, соответствующую границе линейного участка ХД, отсчитывая от частоты f 0. По СМХ определите напряжение смещения Есм 0, при котором несущая частота равна f 0 и максимальную амплитуду сигнала U мс, при которой девиация частоты максимальная D f max. Полученные значения параметров занести в табл. 3.
Таблица 3 – Оптимальный режим частотного детектора
| Есм 0, В | f 0, кГц | D f max, кГц | U мс max, B | U с max, B |
6.1.4 Соедините выход звукового генератора с гнездом КТ1 (вход модулятора). Подключите к гнезду КТ1 вольтметр переменного напряжения. Установите на генераторе частоту сигнала F мод = 200 Гц и действующее значение, соответствующее U с max (по вольтметру). Установите Есм = Есм 0 (из табл. 3).
6.1.5 Отключите вольтметр от входа 1. Подключите ко входу 1 вместо вольтметра первый вход двухлучевого осциллографа, а второй его вход соедините с выходом детектора (гнездо КТ4).
6.1.6 Получив неподвижные осциллограммы, зафиксируйте их в отчёте.
Обратите внимание на «зубцы» выходной осциллограммы, связанные с работой амплитудных детекторов.
Работа детектора в неоптимальном режиме происходит вследствие выхода параметров сигнала за пределы линейного участка ХД.
6.2 Установите напряжение смещения Есм = Есм 0 + 0,5В. По графику СМХ или данным из таблицы 1 определите новое значение несущей частоты и внесите его в отчёт. Повторите измерение ХД.
6.3 Повторите п. 6.2, но при Есм = Есм 0 – 0,5В.
6.4 Восстановите прежнее значение Есм 0. Увеличьте уровень модулирующего сигнала U с в 1,5 раза (для этого на время измерения подключите к гнезду 1 вместо осциллографа вольтметр).
Повторите измерение ХД.
7 Отчет
Отчёт по форме и содержанию должен соответствовать требованиям, изложенным в разделе 3 (Оформление отчётов) Общих положений.
Отчёт должен содержать:
1) структурную схему лабораторной установки для выполнения исследований;
2) статическую модуляционную характеристику частотного модулятора;
3) характеристику детектирования;
4) временные диаграммы в оптимальном и неоптимальных режимах частотного детектора;
5) обобщение результатов и выводы.
8 Контрольные вопросы
1) Дайте определение ЧМ-сигнала.
2) Запишите выражение сигнала с тональной частотной модуляцией.
3) Амплитуда несущего колебания и амплитуда немодулированного ЧМ сигнала это одно и то же или нет?
4) Амплитуда несущего колебания и амплитуда немодулированного АМ сигнала это одно и то же или нет?
5) Что такое МЧМ и КЧМ?
6) Какие требования предъявляются к ЧМ и ЧД?
7) Какие функции выполняют ЧМ и ЧД?
8) Как работает частотный детектор?
9) Где применяется частотная модуляция?
10) Какое отношение имеет функция Бесселя к спектру ЧМ сигнала?
11) Что такое оптимальный режим ЧД?
