Исследование частотных детекторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю. А.»

Кафедра «Радиоэлектроника и телекоммуникации»

Лабораторная работа

«ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ»

по дисциплине «Основы теории радиосистем и комплексов управления»

Выполнили студенты группы с-РСК51

Анников С.К., Бакаева А.С., Бардин А.В., Кочкаева С.А.,

Никитенко К.С., Погодин А.А. Савочкин Д.О.

Проверил доцент каф. РТ, к.т.н., доцент Скворцов А. А.

Саратов 2022

ВВЕДЕНИЕ

Цель лабораторной работы: изучить принципы построения частотных детекторов, экспериментально исследовать процесс детектирования ЧМ - сигналов на основе:

· преобразования изменения частоты колебания в изменение амплитуды с последующим детектированием с помощью амплитудного детектора;

· преобразования изменения частоты колебания в изменение фазы с последующим детектированием с помощью фазового детектора.

1. Основные теоретические сведения о частотных детекторах

Частотным детектором (ЧД) называется устройство, служащее для получения напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения частоты входного сигнала. На входе детектора действует напряжение изменяющейся частоты u_вх = U_вхcos(w_вх(t)t) (рис. 1а). Если угловая частота сигнала на входе ЧД меняется, например, по закону щ_вх(t) = щ_a - ?щ_maxcos?t (рис. 1б), где w_a - угловая частота несущего колебания, ?w_max - девиация угловой частоты входного сигнала, ? - угловая модулирующая частота, то, согласно определению, напряжение Е_Д на выходе ЧД должно меняться в соответствии с рис. 1 в.

Рисунок 1 Зависимости напряжения изменяющейся частоты (а), угловой частоты несущего колебания (б) и напряжения E_Д (в) от времени

Поскольку спектр напряжения на выходе ЧД содержит частотные составляющие, которых не было в спектре входного сигнала, ЧД нельзя реализовать с помощью линейной цепи с постоянными параметрами, так как на её выходе не могут возникать новые частотные составляющие. ЧД нельзя создать и с помощью безынерционной нелинейной цепи. Действительно, если в качестве безынерционной цепи используется диод, то при действии на его входе ЧМ-колебания импульсы тока диода содержат постоянную составляющую, уровень которой зависит только от амплитуды колебания, но не от его фазы и частоты.

Частотное детектирование осуществляется в устройствах, соединяющих в себе линейные и безынерционные нелинейные системы. Принцип частотного детектирования состоит в преобразовании ЧМ-колебания в линейной системе в колебание с другим видом модуляции с последующим детектированием преобразованного колебания безынерционной нелинейной цепью. Общая структурная схема ЧД показана на рис. 2а.

Рисунок 2 Структурная схема ЧД (а); характеристика детектирования однотактного ЧД (б)

Амплитудный ограничитель для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ-колебания. На рис. 2б дана характеристика детектирования однотактного ЧД Е_Д = F(щ_вх), которая не заходит в область отрицательных значений Е_Д. Преобразовать ЧМ-колебание можно в следующие виды колебаний:

1) амплитудно-частотно-модулированное (АЧМ) колебание, у которого амплитуда меняется в соответствии с изменением частоты колебания. Это преобразование можно осуществить в линейной цепи с реактивными параметрами, зависящими от частоты. После линейной цепи АЧМ-колебание детектируется АД;

2) фазо-частотное колебание с последующим фазовым детектированием;

3) импульсы с переменной скважностью с последующим детектированием импульсным детектором, напряжение на выходе которого пропорционально длительности импульсов и т.д.

Структурная схема балансного ЧД показана на рис. 3а, а его характеристика детектирования - на рис. 3б.

Рисунок 3 Структурная схема балансного ЧД (а); характеристика детектирования балансного ЧД (б)

Устройство имеет два детектора преобразованного напряжения в цепи вычитания. Преимущество такого ЧД по сравнению с небалансным следующие:

1) характеристика детектирования более линейная, поскольку чётные гармоники в балансной цепи компенсируются;

2) характеристика детектирования проходит через ноль, поэтому напряжение Еа, соответствует знаку отклонения звуковой частоты щвх от несущего значения щн. Это даёт возможность использовать балансные ЧД в цепях автоматической подстройки частоты (АПЧ).

2. Описание лабораторной установки

Лабораторный макет «Исследование частотных детекторов» выполнен в виде сменного блока установки по курсу «Радиоприёмные устройства» (приложение 1).

Макет включает в себя ВЧ генератор с возможностью осуществления частотной модуляции и три схемы частотных детекторов.

ВЧ генератор в контрольной точке КТ3 формирует ЧМ синусоидальное напряжение с регулируемым индексом модуляции и амплитудой U_с. Частота генерации f_с регулируется в диапазоне 2200-2900 кГц переменным резистором ЧАСТОТА. Амплитуда U_с ЧМ напряжения регулируется переменным резистором АМПЛ. Индекс частотной модуляции зависит от величины поданного на КТ1 модулирующего напряжения низкой частоты U_м от генератора НЧ (рекомендуемый диапазон напряжений 0,1 В - 0,5 В).

Макет содержит детекторы, выполненные на основе:

· расстроенного контура и диодного детектора (детектор №1);

· дробного частотного детектора (детектор №2);

· фазового детектора с одиночным контуром (детектор №3).

Переключатель ВЫБОР ДЕТЕКТОРА (S1 - S3) служит для подключения той или иной схемы детектора.

В схемах детекторов №1 и №3 имеется возможность подключения параллельно колебательному контуру резисторов с помощью независимого переключателя R1-R2.

Постоянная составляющая напряжения с выхода детектора через переключатель ВЫБОР ДЕТЕКТОРА подаётся на КТ4 и отображается в вольтах на цифровом индикаторе измерителя Р2, расположенного на панели №4 лабораторной установки.

Для выполнения лабораторной работы также используются:

· генератор НЧ, расположенный на панели №2 лабораторной установки. Используется для модуляции напряжения ВЧ генератора;

· измеритель Р1, расположенный на панели №4, отображающий в вольтах напряжение смещения на варикапе ВЧ генератора;

· частотомер, расположенный на панели №4, необходимый для контроля частоты ВЧ генератора.

· вольтметр, расположенный на панели №4, необходимый для измерения величины НЧ напряжения на выходе детектора. Используется в режиме «НЧ».

Дополнительным прибором, необходимым для проведения работы, является двухлучевой (двухканальный) осциллограф

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ и результаты изучения частотных детекторов

3.1 Снять модуляционную характеристику ВЧ генератора

Произвести соединения согласно приложению 2. Развёртку осциллографа синхронизировать по входу 1.

Ручкой «Частота» изменять напряжение смещения на варикапе ВЧ генератора от минимального до максимального. Напряжение смещения отображается в вольтах цифровым индикатором измерителя Р1. Частота генератора определяется частотомером. Результаты измерений занести в таблицу.

Построить зависимость fс = f(Uсм). По графику определить девиацию частоты генератора при различных напряжениях смещения и амплитудах НЧ напряжения на варикапе (по заданию преподавателя).

На экране осциллографа наблюдать осциллограмму напряжения на выходе ВЧ генератора (в КТ3).

Рисунок 5 Детекторная характеристика ЧД на основе расстроенного контура для добротностей Q₁ (а) и Q₂ (б)

Снять детекторную характеристику дробного частотного детектора (детектор №2). Для этого получить зависимость постоянной составляющей U= на выходе частотного детектора от изменения частоты сигнала при отсутствии модуляции (Uм = 0).

Установить переключатель ВЫБОР ДЕТЕКТОРА в положение 2.

Переменным резистором ЧАСТОТА изменять частоту напряжения на выходе ВЧ генератора fс в пределах 2200-2900 кГц, при этом фиксировать величину U= в КТ4 по показаниям индикатора измерителя Р2.

Результаты измерений занести в таблицу. Построить детекторную характеристику Uвых = f(fс).

Определить среднюю fср частоту на максимально линейном участке детекторной характеристики.

а) б)

Рисунок 6 Детекторная характеристика дробного ЧД для добротностей Q₁ (а) и Q₂ (б)

Снять детекторную характеристику фазового детектора с одиночным контуром (детектор №3). Для этого получить зависимость постоянной составляющей U= на выходе частотного детектора от изменения частоты сигнала при отсутствии модуляции (Uм = 0).

Установить переключатель ВЫБОР ДЕТЕКТОРА в положение 3.

Переменным резистором ЧАСТОТА изменять частоту напряжения на выходе ВЧ генератора fс в пределах 2200-2900 кГц, при этом фиксировать величину U= в КТ4 по показаниям индикатора измерителя Р2.

Провести измерения для двух величин добротности Q резонансного контура детектора: подключён резистор R1 (Q1); подключён резистор R2 (Q2).

Результаты измерений занести в таблицы. Построить детекторные характеристики Uвых = f(fс) для различных Q.

Определить среднюю fср частоту на максимально линейном участке детекторной характеристики.

а) б)

Рисунок 7 Детекторная характеристика фазового детектора с одиночным контуром для добротностей Q₁ (а) и Q₂ (б)

Исходя из построенных детекторных характеристик, можно сделать вывод, что на максимально линейном участке средняя частота fср = 2600 кГц для всех случаев. Причём для детекторов №1, 2 fср возрастающая, а для детектора №3 fср убывающая.

3.3 Наблюдать низкочастотный сигнал на выходе детектора. Оценить искажения низкочастотного сигнала на выходе детектора при отклонении значения fс от fср для данного вида детектора

Произвести соединения согласно приложению 3. Развёртку осциллографа синхронизировать по входу 2.

Установить переключатель ВЫБОР ДЕТЕКТОРА в положение 1.

Установить переменным резистором ЧАСТОТА частоту ВЧ генератора, равную fср для данного вида детектора. Переменный резистор «Ампл.» установить в крайнее положение по часовой стрелке.

Установить частоту генератора НЧ 1000 Гц. Установить напряжение на выходе генератора НЧ максимально возможным в пределах Uм = 100 - 500 мВ таким образом, чтобы напряжение низкой частоты U? на выходе детектора (в КТ4), наблюдаемое на экране осциллографа, имело вид неискажённой синусоиды.

Переменным резистором ЧАСТОТА изменять величину fс и наблюдать искажение формы низкочастотного сигнала U? на экране осциллографа. Обратить внимание на взаимное соответствие частоты fс, частот перегибов детекторной характеристики и вида искажений. Сделать необходимые выводы.

Обратить внимание на взаимное соответствие фазы напряжения на выходе детектора и знака крутизны детекторной характеристики на частоте fср для данного вида детектора.

Переменным резистором «Ампл.» изменять амплитуду напряжения на выходе ВЧ генератора от максимальной до минимальной. Отметить изменение амплитуды НЧ напряжения на выходе детектора.

Аналогично провести наблюдения для детекторов №2 и №3.

Примечание. Для детекторов №1 и №3 наблюдения провести при подключённых резисторах R1.

Сделать необходимые выводы.

Рисунок 8 Форма сигнала на выходе детектора №1 при Uс макс, fср = 2600 кГц

Рисунок 9 Форма сигнала на выходе детектора №1 при Uс макс: а) f = 2700 кГц; б) f = 2850 кГц

Рисунок 10 Форма сигнала на выходе детектора №1 при f = 2600 кГц: а) Uс ср; б) Uс мин

При отклонении значения частоты ВЧ генератора fc от значения средней частоты детекторной характеристики fср наблюдается искажение формы низкочастотного сигнала на выходе детектора №1 по его амплитуде. В частности, при возрастающем отклонении значения fc от fср, значение амплитуды низкочастотного сигнала уменьшается.

Рисунок 11 Форма сигнала на выходе детектора №2 при Uс макс, fср = 2600 кГц

Рисунок 12 Форма сигнала на выходе детектора №2 при Uс макс: а) f = 2650 кГц; б) f = 2700 кГц; в) f = 2724 кГц

Рисунок 13 Форма сигнала на выходе детектора №2 при f = 2600 кГц: а) Uс ср; б) Uс мин

При отклонении значения частоты ВЧ генератора fc от значения средней частоты детекторной характеристики fср наблюдается искажение формы низкочастотного сигнала на выходе детектора №1 по его амплитуде. В частности, при возрастающем отклонении значения fc от fср, значение амплитуды низкочастотного сигнала уменьшается. При изменении значения напряжения смещения Uc при постоянном значении частоты ВЧ генератора искажения не наблюдаются.

Рисунок 14 Форма сигнала на выходе детектора №3 при Uс макс (а) и Uс мин (б), fср = 2600 кГц. (Форма сигнала при Uс ср не зафиксирована по причине незначительных изменений)

Рисунок 15 Форма сигнала на выходе детектора №3 при Uс макс: а) f = 2700 кГц; б) f = 2740 кГц

При отклонении значения частоты ВЧ генератора fc от значения средней частоты детекторной характеристики fср наблюдается искажение формы низкочастотного сигнала на выходе детектора №1 по его амплитуде. В частности, при возрастающем отклонении значения fc от fср, значение амплитуды низкочастотного сигнала уменьшается. При изменении значения напряжения смещения Uc при постоянном значении частоты ВЧ генератора искажения не наблюдаются.

Анализируя полученные результаты, приходим к выводу: искажения формы низкочастотного сигнала на выходе частотных детекторов напрямую зависят от отклонения частоты ВЧ генератора от его среднего значения.

3.4 Снять частотные характеристики детекторов

Произвести соединения согласно приложению 4.

Установить переключатель ВЫБОР ДЕТЕКТОРА в положение 1.

Включить генератор низкой частоты. FНЧ = 1000 Гц. Установить напряжение на выходе генератора НЧ (напряжение модулирующего сигнала Uм на входе генератора высокой частоты в КТ1) Uм = 100 мВ.

Установить переменным резистором ЧАСТОТА частоту генератора высокой частоты, равную средней частоте линейного участка детекторной характеристики fср для данного вида детектора.

Вольтметр перевести в режим «НЧ».

Получить зависимость эффективного значения напряжения U? на выходе детектора от частоты модуляции Fм, изменяя частоту модуляции Fм в диапазоне 20 Гц - 20 кГц. Результаты измерений занести в таблицу.

Аналогично провести измерения для детекторов №2 и №3.

Примечание. Для детекторов №1 и №3 измерения провести при подключённых резисторах R1.

Рисунок 16 Зависимость эффективного напряжения U_? на выходе детектора №1 от F_м

Рисунок 17 Зависимость эффективного напряжения U_? на выходе детектора №2 от F_м

Рисунок 18 Зависимость эффективного напряжения U_? на выходе детектора №3 от F_м

3.5 Дополнительное задание

Провести соединение согласно приложению 2.

Вход 1 осциллографа подключить к КТ3. Развертку осциллографа синхронизировать по входу 1.

Установить частоту генератора НЧ 1000 Гц. Установить напряжение на выходе генератора НЧ Uм = 0 мВ.

Переключатель горизонтальной развёртки осциллографа установить в положение 0,5 мкс/дел. Получить устойчивое изображение нескольких периодов синусоидального напряжения высокой частоты без модуляции.

Увеличивая напряжение на выходе генератора НЧ Uм от 0 мВ до 500 мВ наблюдать «размывание» изображения в правой части экрана, т.е. изменение мгновенного значения фазы напряжения ВЧ в процессе частотной модуляции.

Рисунок 19 а) Устойчивое изображение синусоидального напряжения ВЧ без модуляции; б) «Размывание» изображения в процессе частотной модуляции

Вывод

В ходе выполнения лабораторной работы экспериментально исследован процесс детектирования ЧМ - сигналов. В процессе исследования получены: модуляционная характеристика ВЧ генератора установки; детекторные характеристики для трех видов детекторов. Также, была произведена оценка искажений формы низкочастотного сигнала на выходе детектора, которая показала, что искажения формы зависят от отклонения от значений средней частоты детекторной характеристики.

Список использованной литературы

1. Головин О.В., Профессиональные радиоприёмные устройства декаметрового диапазона / О.В. Головин. М.: Радио и связь, 1985.

2. Головин О.В. Радиоприёмные устройства / О.В. Головин. М.: Высшая школа, 1987.

Приложения

Приложение 1

Лицевая панель сменного блока «ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ»

Приложение 2

Соединение элементов лабораторной установки для снятия модуляционной характеристики генератора

Приложение 3

Соединение элементов лабораторной установки для наблюдения формы НЧ напряжения на выходе детектора

Приложение 4

Соединение элементов лабораторной установки для снятия частотных характеристик детекторов

Размещено на Allbest.ru