Материал: Радиотехнические цепи и сигналы для дистанционного обучения. Останков А.В

искажения, обусловленные неравномерностью АЧХ и нелинейностью ФЧХ усилителя, были несущественными. Изучить особенности спектра выходного тока модулятора при многочастотном модулирующем колебании в условиях неискажённой и искажённой модуляции.

Контрольные вопросы к защите работы

1.Изобразить схему амплитудного модулятора при модуляции смещением. Пояснить назначение источников входных сигналов. Объяснить, почему в спектре выходного тока появляются спектральные составляющие АМколебания. Какой должна быть центральная частота АЧХ нагрузочного контура? эквивалентная полоса пропускания?

2.Почему режим работы транзистора при базовой модуляции должен быть нелинейным? Чему будет равен коэффициент модуляции первой гармоники коллекторного тока, если мгновенное напряжение на базе не будет выходить за пределы линейного участка статической характеристики транзистора — зависимости коллекторного тока от напряжения между базой и эмиттером?

3.Изобразить осциллограммы напряжения между базой и эмиттером, коллекторного тока и напряжения между коллектором и эмиттером при использовании в качестве нагрузки модулятора: а) избирательного фильтра, б) резистора.

4.Почему напряжение смещения, определяющее положение рабочей точки модулятора, должно соответствовать середине линейного участка модуляционной характеристики?

5.Можно ли при модуляции смещением получить неискажённую по форме амплитудно-модулированную первую гармонику тока с коэффициентом модуляции, равным единице?

6.Как должна изменяться модуляционная характеристика с изменением: а) постоянного напряжения смещения на базе транзистора, б) амплитуды модулируемого колебания, в) резонансного сопротивления контура?

7.В модуляторе смещением подобран режим практически неискаженной амплитудной модуляции. Как изменится осциллограмма выходного напряжения, если существенно увеличить: а) напряжение смещения, б) амплитуду входного напряжения высокой частоты?

8.Для чего в модуляторе нужен частотно-избирательный фильтр? Из каких соображений следует выбирать частоту настройки и полосу пропускания фильтра?

9.Транзистор, используемый в амплитудном модуляторе, обладает характеристикой с изломом в точке UН = 0.6 В. Амплитуда несущего колебания на

входе Uω = 0.4 В, амплитуда модулирующего сигнала UΩ = 0.1 В, постоянное напряжение смещения U0 = 0.6 В. Рассчитать коэффициент амплитудной модуляции первой гармоники выходного тока.

[3, с. 283-284], [4, с. 79-81].

120

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

10.1. Цель работы

Цель работы — экспериментально исследовать процессы, происходящие при диодном детектировании амплитудно-модулированных колебаний; снять детекторные характеристики, измерить входное сопротивление детектора, изучить осциллограммы напряжений при разных параметрах нагрузки.

10.2. Краткие теоретические сведения

Детектирование является процессом обратным модуляции: при детектировании амплитудно-модулированных колебаний восстанавливается низкочастотный информационный сигнал, управляющий амплитудой высокочастотных колебаний.

Амплитудное детектирование считается неискажённым, если напряжение на выходе детектора повторяет закон изменения огибающей амплитуд модулированного колебания. Если же мгновенные значения выходного напряжения детектора не пропорциональны текущим значениям амплитуды детектируемого радиосигнала, значит, имеют место искажения.

Поскольку в спектре модулированного колебания содержатся только высокочастотные компоненты (несущая и боковые частоты), а результатом детектирования является получение низкочастотных колебаний, линейные цепи для детектирования не пригодны. В большинстве случаев детекторы являются устройствами нелинейными, реже — параметрическими.

Детектор АМ-колебаний должен содержать нелинейный (или параметрический) элемент, осуществляющий трансформацию спектра сигнала в область нижних частот, и фильтр нижних частот, выделяющий низкочастотные компоненты сигнала.

В работе исследуется диодный детектор, принципиальная электрическая схема которого показана на рис. 61.

Рис. 61

121

Пусть напряжение, подаваемое на вход детектора, модулировано одним

тоном: eАМ(t) = U0 [1 + М cos(2πF t)] cos(2πf0 t). Поскольку диод VD обладает односторонней проводимостью (рис. 62, а), его ток iд имеет характер косинусо-

идальных импульсов с отсечкой, повторяющихся с частотой f0 несущего колебания, амплитуда которых изменяется с изменением огибающей амплитуд детектируемого напряжения (рис. 62, б).

Ū(t)

eАМ(t) − Ū(t)

В последовательности импульсов тока iд содержится уже и низкочастотная составляющая частоты F. Действительно, импульсы тока различаются амплитудой (пиковым значением), которая при кусочно-ломаной аппроксимации ВАХ диода прямо пропорциональна амплитуде напряжения uд, приложенного к диоду. Если сопротивление R нагрузки детектора невелико, напряжение на диоде uд практически не отличается по величине от входного напряжения eАМ(t) и iд max(t) U0 [1 + М cos(2πF t)]. Тогда постоянная составляющая тока в нагрузке Īд(t) = iд max(t)γ0(Θ) оказывается прямо пропорциональной низкочастотному колебанию, управляющему амплитудой детектируемого сигнала.

Принцип выделения низкочастотного информационного колебания RC- цепью основан на том, что скорость заряда конденсатора C, определяемая малой постоянной времени цепи при протекании тока через диод в прямом направлении, существенно превышает скорость его разряда через сопротивление R при отсутствии тока через диод. Благодаря этому на RC-цепи (нагрузке детектора) выделяется низкочастотное напряжение Ū(t), повторяющее закон изменения Īд(t), а следовательно, и огибающей амплитуд детектируемого колебания с амплитудной модуляцией.

122

Постоянная времени RC-цепи τ = R C, включенной на выходе детектора, выбирается так, чтобы обеспечить неискажённое воспроизведение огибающей АМ-колебаний (τ<< 1/F) и необходимое сглаживание высокочастотных пульсаций (τ>>1/f0):

1 f0<<RC<<1 F,

(66)

где f0 — несущая частота АМ-колебаний, F — наивысшая частота в спектре модулирующего сигнала.

Для того чтобы низкочастотные компоненты тока диода создавали большое выходное напряжение Ū(t), величина нагрузочного сопротивления R должна быть достаточно большой. Это означает, что при анализе детектора оказывается необходимым учёт влияния сопротивления R на ток диода iд. Действительно, напряжение, приложенное к диоду складывается из напряжения на входе eАМ(t) и низкочастотного напряжения Ū(t) на нагрузке (рис. 61): uд = eАМ(t) − Ū(t). Итак, особенностью диодного детектора является наличие обратной (по постоянной составляющей) связи или «автоматического» смещения на величину Ū(t) (см. рис. 62, в), что накладывает на теорию его работы особый отпечаток, не считаться с которым нельзя. В частности, из рис. 62, в следует, что угол отсечки тока диода гораздо меньше значения 90°, типичного для нелинейного прибора с односторонней проводимостью.

Важной характеристикой амплитудного детектора является детекторная характеристика, под которой подразумевают зависимость постоянной составляющей тока Īд диода или напряжения на выходе детектора Ū = Īд R от амплитуды Uω высокочастотного колебания uВХ(t) = Uω cos(2π f0 t), подаваемого на вход детектора. Форма детекторной характеристики определяет меру нелинейных искажений, возникающих при детектировании АМ-колебаний. В идеале она должна быть линейной, тогда напряжение на выходе Ū(t) детектора точно повторяет закон изменения амплитуды модулированного сигнала.

Теоретически детекторная характеристика может быть приближённо рассчитана по формуле:

где Θ — угол отсечки тока диода.

Поскольку при малых амплитудах Uω детектируемого колебания оказывается задействованным нелинейный участок ВАХ диода, для расчётов используется параболическая аппроксимация ВАХ: iд(uд) = {0 при uд < 0; a2 uд2 при uд ≥ 0}. При этом множитель cosΘ, фигурирующий в соотношении (67), не яв-

123

ляется постоянной величиной, а сложным образом зависит от переменной x = a2 Uω R. Приближённая зависимость cosΘ от x представлена на рис. 63; она позволяет рассчитать детекторную характеристику не только при малых значениях амплитуд Uω, но и для многих других практических значений.

cosΘ

При малой амплитуде Uω воздействующего на детектор колебания, определяемой из условия Uω < 1/(a2 R) (при этом угол отсечки Θ > 80°), детектор-

ная характеристика приближённо описывается выражением Ū ≈ 0.25a2 R Uω2, т.е. оказывается квадратичной. Детектирование, соответствующее этому режиму, принято считать квадратичным. При квадратичном детектировании высокочастотных колебаний, амплитуда которых изменяется, возникают нелинейные искажения. Коэффициент нелинейных искажений при этом прямо пропорционален глубине (коэффициенту амплитудной) модуляции.

При достаточно большой амплитуде Uω детектируемого колебания, определяемой условием Uω > 103/(a2 R) (при этом угол отсечки Θ < 25°), множитель cosΘ в детекторной характеристике Ū = Uω cosΘ практически не изменяется с ростом Uω (рис. 63). В этом случае увеличение амплитуды детектируемых колебаний вызывает увеличение выходного напряжения детектора Ū, а следовательно, и смещения, так что угол отсечки Θ фактически постоянен; его величина существенно зависит лишь от параметров схемы:

Θ ≈ 3 3 π/(S R),

(68)

где S — крутизна наклонного луча, описывающего ВАХ диода в области по-

ложительных значений напряжения. На основании того факта, что cosΘ является теоретически величиной постоянной, делают заключение, что диодный детектор (работающий в режиме больших колебаний, т. е. в условиях, когда характеристику диода оказывается разумным аппроксимировать кусочно-линейной функцией) является линейным устройством. Важно понимать, что линейным

124