Ядерные реакторы http://school70.ru/ Площадь криволинейной трапеции http://grclas.ru/
Лабораторные работы Примеры расчета типовых задач Расчетно-графическая работа Электрические цепи постоянного и переменного тока

Лабораторные работы, примеры расчета типовых задач по электротехнике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7

Детектирование амплитудно - моделированных колебаний

Цель работы: исследование процессов, происходящих при детектировании амплитудно-модулированных колебаний диодным детектором.

Общие сведения

Детектирование представляет собой процесс, обратный модуляции, и заключается в восстановлении того управляющего сигнала, которым производится модуляция. Детектор должен содержать нелинейный или параметрический элемент, осуществляющий трансформацию спектра сигнала, и фильтр низких частот, выделяющий низкочастотные компоненты.

Принципиальная схема одного из видов диодного детектора приведена на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1

Постоянная времени τ=RC фильтра нижних частот выбирается так, чтобы обеспечить неискаженное воспроизведение огибающей АМ-колебений и необходимое сглаживание высокочастотных пульсаций:

2p/w0 << RC << 2p/W

где ω0 – несущая частота АМ- колебаний; Ω – наивысшая частота в спектре модулирующего сигнала.

Важными характеристиками амплитудных детекторов являются характеристики детектирования, под которыми подразумевают зависимости изменения постоянной составляющей тока ID или напряжения на выходе детектора UD=IDR от амплитуды высокочастотных колебаний или изменения модулируемого параметра. При анализе следует учитывать, что к диоду приложено напряжение U=Uin-UD.

Режим работы диодного детектора определяется амплитудой высокочастотных колебаний: для слабых сигналов, наибольшая амплитуда которых не превосходит 0,1 - 0,2 В, имеет место квадратичное детектирование: для сильных сигналов, амплитуда которых не менее 1 В, режим детектирования линейный.

При детектировании слабых сигналов можно считать, что UD = 0, U = Uin, а вольтамперная характеристика диода приближенно аппроксимируется степенным полиномом

i = a0 + aiU + a2U2. (7.1)

В этом случае характеристика детектирования имеет квадратичный характер

ID = a2u2/2. (7.2)

Здесь U – амплитуда высокочастотных колебаний.

При квадратичном детектировании колебаний, амплитуда которых изменяется по закону

u(t) = um0 (1 + McosWt) (7.3)

возникают нелинейные искажения: на выходе детектора появляется колебание с частотой 2Ω и амплитудой а2М2U2m0/4, коэффициент нелинейных искажений Kг пропорционален глубине модуляции

Kг = I2W / IW = M / 4. (7.4)

При анализе работы диодного детектора в режиме сильных сигналов применяется кусочно-линейная аппроксимация вольт - амперной характеристики диода

  (7.5)

В этом случае увеличение амплитуды колебаний вызывает увеличение смещения UD, причем угол отсечки q остается величиной постоянной, зависящей только от параметров схемы

  (7.6)

характеристика детектирования линейна:

uD = ucosq,  (7.7)

коэффициент передачи детектора

Kд = uD / u = cosq,  (7.8)

а входное сопротивление линейного детектора по первой гармонике

Rвх = R/2. (7.9)

2. Описание лабораторного макета

Принципиальная схема установки приведена на рисунке 7.2. Детектор собран на одном макете с амплитудным модулятором. При выполнении работы входным сигналом детектора является выходной сигнал амплитудного модулятора.

Рисунок 7.2

На входе детектора имеется колебательный контур L2С2, настроенный на частоту ω0, совпадающую с резонансной частотой лабораторной установки работы «Амплитудная модуляция». Через индуктивность контура замыкаются низкочастотные составляющие тока детектора, создающие падение напряжения только на нагрузочном сопротивлении R20 = Rн.

В качестве нелинейного элемента использован точечный кремниевый диод типа КД401. Емкость фильтра можно изменять переключателем SA4, выбирая ее оптимальное значение (См).

Для определения входного сопротивления детектора используется метод замещения. С помощью переключателя SA2 (положение 2) к колебательному контуру вместо схемы детектора подключается эквивалентное сопротивление, которое шунтирует контур. Эквивалентное сопротивление можно изменять переключателем SA3. Для контроля напряжения на входном контуре имеется вывод Uк.

Очевидно, если подобрать эквивалентное сопротивление так, чтобы напряжение на контуре оставалось таким же, как и в режиме детектирования (т.е. как в положении «1» переключателя SA2), шунтирующее действие будет одинаково и следовательно, эквивалентное сопротивление равно входному сопротивлению детектора Rin.

Домашнее задание

1. Представить принципиальную схему последовательного диодного детектора, указать назначение всех ее элементов.

2. Оценить емкость нагрузки, при которой возможно неискаженное детектирование АМ - колебаний с частотой модулирующего сигнала F = 100 Гц и несущей частотой f0 = 700 Гц. Принять RМ = 5 кОм.

3. Представить качественно временные диаграммы входного АМ - колебания UМ(t), напряжения на диоде UD и напряжения на нагрузке UМ при: а) правильно выбранной емкости нагрузки СМ; б) очень большой емкости нагрузки; в) при отсутствии емкости нагрузки.

4. Определить угол отсечки q и коэффициент передачи диодного детектора в режиме линейного детектирования. Принять S = 0,2А/В, RM = 5 кОм.

5. Рассчитать входное сопротивление последовательного диодного детектора при RM = 5 кОм.

4. Лабораторное задание

1. Снять зависимость низкочастотного напряжения на выходе детектора от амплитуды напряжения несущей частоты на входе детектора Um0 при постоянной глубине модуляции М = 30 %, модульной частоте F = 1000 Гц и несущей частоте f = f0.

1.1. Получить на выходе ЛМ «Амплитудная модуляция» амплитудно-модульное колебание с требуемыми параметрами.

1.2. Выход макета «Амплитудная модуляция» соединить с входом детектора (гнезда UМ).

1.3. Тумблер SA2 поставить в положение «1».

1.4. К выходу детектора (гнезда UМ) подключить осциллограф.

1.5. Изменяя емкость СМ подобрать ее значение так, чтобы на выходе детектора было напряжение, соответствующее неискаженному детектированию.

1.6. Снять зависимость UМ от Um0 изменяя значение Um0 и UF генераторами в модуле. Для измерения Um0 использовать осциллограф, переключив его на гнезда Uк, а на выход детектора подключить вольтметр (измерение производить при отключенном модулирующем сигнале). По результатам измерений построить графики UМ = f(Um0). Объяснить результаты.

2. Снять зависимость низкочастотного напряжения на выходе детектора от коэффициента модуляции на входе UМ = f(M). Схема измерений остается прежней. Изменяя модулирующее напряжение на входе макета «Амплитудная модуляция», получить разные значения М. Построить график UМ = f(M), объяснить результаты.

3. Снять зависимость низкочастотного напряжения на выходе детектора от частоты модулирующего сигнала при неизменном значении Um0 и UF = 3В. Построить зависимость.

4. Просмотреть и зарисовать осциллограммы напряжений для трех значений емкости См: а) См = 0; б) См = См опт; в) С>> См опт опт при различных формах модулирующего напряжения (См опт – оптимальное значение емкости, при котором детектирование осуществляется без искажений).

5. Измерить входное сопротивление последовательного диодного детектора методом замещения.

5.1. На входе детектора установить немодулированное напряжение с Umc = 1 В. Для контроля напряжения на гнезда Uк подсоединить вольтметр или осциллограф. Затем переключатель SA2 установить в положение «2» и подобрать эквивалентное сопротивление Rэ таким, при котором напряжение на входном контуре детектора остается равным исходному. Таким образом, в этом случае Rэ будет равно входному сопротивлению последовательного детектора. Результаты измерений сравнить с расчетом Rin, выполненным дома.

5. Содержание отчета

1. Принципиальная схема последовательного диодного детектора.

2. Расчеты, графики и рисунки, полученные при выполнении домашнего задания.

3. Результаты экспериментального исследования в виде таблиц и графиков.

4. Осциллограммы напряжений в различных точках схемы и при различных параметрах нагрузки, согласованные во времени и по напряжению.

6. Контрольные вопросы

1. Чем определяется режим диодного детектора?

2. Почему принято разделять детектирование сильных и слабых сигналов?

3. Приведите принципиальную схему последовательного диодного детектора, поясните назначение всех элементов схемы.

4. Чем следует руководствоваться при выборе параметров нагрузки диодного детектора?

Рекомендуемая литература:

Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. Пособие для вузов / И.С. Гонорвский. ­ 5-е изд., испр. и доп. ­ М.:Дрофа, 2006. ­ 719 с.: ил.

Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. Для вузов по спец. «Радиотехника». ­ 3-е изд., перераб. и доп. ­ М.: Высш. шк., 2000. ­ 462 с.: ил.


Лабораторные работы, примеры расчета типовых задач по электротехнике