Мурманский государственный педагогический институт

МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Лабораторная работа № 7.

Амплитудная модуляция. Детектирование.

Цель работы: изучение принципов работы резонансного усилителя на полевом транзисторе; схемы амплитудной модуляции, амплитудного детектора.

Приборы и принадлежности:

1. Лабораторный стенд.

2. Источник питания 9В.

3. Осциллограф.

4. Генератор звуковой частоты.

Подготовка к работе:

1. Повторить устройство и принцип работы полевых транзисторов, схемы резонансных усилителей, принципы амплитудной модуляции и детектирования.

2. Ознакомиться с описанием лабораторного стенда, назначением элемен­тов схемы. Иденфицировать полевой транзистор. Выделить основные бло­ки в соответствии со структурными схемами модуляции и детектирования. Зарисовать схему.

Краткие теоретические сведения.

Принципиальная схема получения АМ колебаний приведена на рис. 1

Модулятор состоит из источника несущей частоты ω, источника сиг­нала Ω, нелинейного элемента UD₁ и фильтра, включённых последовательно.

U₁ = Um₁ cos ω· t (1)

U₂ = Um₂ cos Ω·t (2)

i = I₀+aU +bU² (3)

где (1) и (2) - гармонические колебания ВЧ и НЧ,

(3) – вольт-амперная характеристика нелинейного элемента.

Если в равенство (3) подставить U = U₁ + U₂ и выполнить соответст-вующие требования, получим уравнение АМ колебаний:

U _АМ = аUт₁ (1 + соs Ω t) соs ωt (4)

где коэффициент модуляции. (5)

Уравнение 4 можно привести к следующему виду:

U _АМ = аUт₁ соs ωt + bUт₁ соs (ω + Ω) t + bUт₁ Uт₂ соs (ω - Ω) t (6)

На рис.2 показан спектр АМ колебаний в соответствии с уравнением 6. Следует иметь в виду, что спектр в этом случае получается более слож­ный, но с помощью фильтра имеющего полосу пропускания 2 Ω, остальные составляющие подавляются.

Процесс восстановления сигнала частотой Ωиз АМ колебаний назы­вается демодуляцией или детектированием и является обратной операцией. Принципиальная схема детектирования АМ колебаний изображена на рис.3, гдеU _АМ- источник АМ колебаний. Например,U _АМ - антенна прием­ника, VD2 - нелинейный элемент, RС - фильтр низких частот.

Для получения выражения U _Ω необходимо в выражение 3 подставить

значение U _АМ (4), выполнить преобразования и отбросить все высокочастотные составляющие, подавляемые фильтром:

U _Ω = bUт²m cos Ω t (7)

Параметры фильтра выбираются из условия

T_ω ˂˂ τ ˂˂ T _Ω (8)

Где – период несущей частоты,

‒ период сигнала,

τ = RC – постоянная времени фильтра.

Модуляция и детектирование являются нелинейными процессами, т.к. при этом изменяется форма и спектральный состав сигналов.

Временные представления сигналов при модуляции и детектирова­нии приводятся из школьного учебника физики и др. литературы, поэтому в данном описании не приводятся.

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

Принципиальная схема лабораторного стенда приведена на рис.4. Ос­новным элементом схемы является резонансный усилитель на полевом гранзисторе VT₁. Нагрузкой транзистора является колебательный контур,:остоящий из катушки L_k и конденсаторов С₂ - С₄, подключаемых с помощью перемычек 2 - 4. R₁ - сопротивление утечки. С₁ и С₅ - разделительные конденсаторы. L _с - катушка обратной связи.

С помощью перемычки 1 сигнал с выхода усилителя подается на за-твор транзистора, т.е. на вход усилителя. Т.о. усилитель превращается в LС генератор, частота колебаний которого ω определяется резонансной частотой контура. В цепь эмиттера транзистора VT₁ включена вторичная эбмотка трансформатора Тр₂, через который от звукового генератора пода­ется сигнал частотой Ω.

Нелинейным элементом (ДЕТЕКТОРОМ) является диод VD₁.

R₂, С₆ – С₈ - фильтр низких частот, с помощью перемычек 6-9 можно изменять постоянную времени фильтра.

Диод VD₂предназначен для защиты схемы от неправильного включе­ния источника питания.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ.

1. Ознакомление со стендом. Собрать схему: убрать перемычки, под­ключить источник питания с соблюдением полярности, к входу X₁ усили-теля подключить звуковой генератор, к выходу Y₁ - осциллограф. После проверки схемы включить приборы.

2. Исследование резонансного усилителя. Поставить перемычку 2, ус-тановить амплитуду входного напряжения ЗГ около 0,5В. Изменяя частоту ЗГ, наблюдать изменение выходного сигнала. Определить резонансную частоту усилителя f_рез. и коэффициент усиления по напряжению K_u. Повто­рить упражнение для различных емкостей, переставляя перемычки в по­ложение 3 и 4.

3. Исследование LС-генератора.

Установить перемычки 2 и 1, т.е. ввести обратную связь в усилитель. Отключить ЗГ, подать питание. Переворачивая катушки связи (баланс фаз) и перемещая катушку относительно катушки контура L_с (баланс амплитуд), добиться неискаженной синусоиды с максимальной амплитудой. Зарисовать сигнал высокой частоты.

4. Модуляция.

Подключить ЗГ к трансформатору Тр₁, подать сигнал низкой частоты око­ло 1 кГц амплитудой 1В. Изменяя величину обратной связи генератора и амплитуду сигнала низкой частоты, добиться неискаженного АМ сигнала с максимальной глубиной модуляции. Определить коэффициент модуляции:

5. Детектирование.

Подключить осциллограф к выходу У₂, установить перемычку 6, т.е. вклю­чить нагрузку R₂ для детектора. Зарисовать осциллограмму выходного сигнала. Устанавливая дополнительную перемычку поочередно в положе­ние 7, 8, 9 зарисовать осциллограммы сигналов. Проверить выполнение условия (8) для случая оптимального режима детектирования, т.е. рассчи­тать и сравнить соответствующие величины.

ЗАДАНИЕ ПО УИРС.

1. По данным упражнения 2 построить примерный вид амплитудно-частотных характеристик усилителя при различных емкостях.

2. Определить индуктивность катушки L_k, добротность и полосу про­пускания контура при различных емкостях.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.

1. Краткие теоретические сведения.

2. Схема лабораторного стенда и назначение элементов.

3. Результаты измерений и расчетов, краткие выводы по каждому упраж­нению.

ВОПРОСЫ К СОБЕСЕДОВАНИЮ.

1. Какого типа транзистор дан в схеме? Опишите его структуру, принцип работы. В каком режиме работает транзистор (рабочая точка)?

2. Покажите на схеме блоки, соответствующие структурным схемам гене­ратора, модулятора, детектора.

3. Нарисуйте спектры сигналов, соответствующие модуляции и детектированию. Покажите составляющие спектров на осциллограммах.

4. Чем отличаются ЧМ и АМ сигналы? Покажите их временные и спек­тральные характеристики.

5. Объясните, для чего необходима модуляция, в каких приборах или уст­ройствах она реализуется?

6. В каких устройствах применяется детектирование?

7. Можно ли поменять полярность включения VD₁? Включать его парал­лельно фильтру низких частот? Как это отражается на работе детектора?

8. Можно ли использовать схему для демонстрации в школьном курсе фи­зики? Какие изменения в схеме и конструкции для этого необходимы?

9. Изложите процессы модуляции и детектирования на уровне доступном учащимся старших классов.

С₁ 1мк х 6В; С₅ 1мк х 6В; R₁ 270 кОм; L_с 200 витков ϕ 0,16;

С₂ 0,01 мкФ; С₆ 0,1 мкФ; R₂ 100 кОм; L_k 600 витков ϕ 0,15;

С₃ 0,05мкФ; С₇ 0,01 мкФ; УТ, КП 103И;

С₈ 2200 пФ; VD₁ Д220; VD₂ Д226.

Дата добавления: 2015-08-28