Материал: Радиотехнические цепи и сигналы для дистанционного обучения. Останков А.В
детектор является по отношению к амплитуде воздействующего сигнала, но он, безусловно, остается нелинейным по отношению к мгновенным значениям входного воздействия.
Коэффициент передачи рассматриваемого диодного детектора Kд, определяемый отношением постоянного напряжения Ū к амплитуде входного высоко-
частотного напряжения Uω, с учётом (67) равен
Kд = Ū / Uω = cosΘ.
(69)
Коэффициент передачи Kд диодного детектора обычно лежит в пределах от 0.8 до 1. Со стороны входных зажимов детектор можно охарактеризовать средним
по первой гармонике входным сопротивлением Rвх1. Практическая важность этого понятия состоит в том, что источник детектируемого напряжения оказывается нагруженным именно на сопротивление Rвх1. При пренебрежимо малом по сравнению с сопротивлением нагрузки R прямом сопротивлении диода и Ū = = Uω cosΘ ≈ Uω входное сопротивление
Rвх1 ≈ ½ R.
(70)
При существенном уменьшении амплитуды детектируемого напряжения входное сопротивление детектора растёт.
10.3. Описание виртуального стенда
Примерный вид исходного виртуального стенда показан на рис. 64.
|
|
[I] |
VD |
1 |
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
[C] |
|
|
|
|
|
|
Modulat |
|
R |
|
|
|
|
f0 |
S0 |
M |
C |
|
|||
|
|
|
Switch |
Function Generator |
||
Frequency |
1 |
kHz |
Duty cycle |
80 |
% |
Amplitude |
1 |
V |
Offset |
0 |
|
|
Common |
|
Oscilloscope |
|
|
|
|
Expand |
|
Ground |
Time base |
|
Trigger |
|
0.20 ms/div |
Edge |
|
|
X position |
0.00 |
Level |
0.00 |
Y / T B / A |
A / B |
Auto |
A B Ext |
Channel |
|
Channel |
|
2 V/Div |
|
2 V/Div |
|
Y position |
0.00 |
Y position 0.00 |
|
AC 0 DC |
|
AC 0 |
DC |
Рис. 64 |
|
|
|
По умолчанию ко входу детектора подключен идеальный амплитудный модулятор («Modulat»), который и является источником детектируемого АМ-
125
напряжения eАМ(t) (переключатель, управляемый клавишей «I», установлен в нижнее положение). Требуемые частота (f0) и амплитуда (U0) несущего высокочастотного колебания, а также коэффициент амплитудной модуляции (М), определяющий глубину модуляции, обеспечиваются посредством вынесенных из модулятора источников «f0», «S0» и «M» (учтите, что один вольт источника «f0» соответствует одному герцу несущей частоты). Управляющий амплитудой несущего колебания низкочастотный сигнал вырабатывается отдельным источником (знакомым Вам как «Function Generator»), подключаемым ко входу модулятора. Панель управляющего источника также показана на рис. 64.
Наблюдение и регистрация временных диаграмм колебаний производится с помощью осциллографа, подключаемого своими каналами к разным точкам схемы детектора посредством коммутатора «Switch». Напряжение, снимаемое с левого верхнего вывода коммутатора, соответствует входному детектируемому. На правый верхний вывод коммутируется выходное напряжение детектора. По умолчанию первое колебание (подаваемое на вход канала «А») воспроизводится на экране осциллографа черным цветом, последнее (канал «В») — красным. Подключившись к центральному верхнему выводу коммутатора, можно изучить форму напряжения на диоде детектора, напряжение на нижнем выводе прямо пропорционально значениям тока диода (с коэффициентом 10 B/A).
10.4.Задания и указания к их выполнению
10.4.1.Исследование влияния постоянной времени RC-цепи на линейные
искажения выходного сигнала
Подготовить установку к исследованиям.
Загрузить схемный файл «Diode amplitude detector .ewb». Изучить и зарисовать схему исследуемого амплитудного детектора (показать входные и выходные зажимы свободными, источники колебаний, панели приборов, коммутационные устройства на схеме не показывать). Уяснить назначение подключенных к амплитудному детектору приборов и коммутируемых источников сигналов.
Изначально необходимо установить параметры детектируемого АМколебания в соответствии с табл. 36 и номером (N) Вашего варианта: частоту f0 (источник «f0»), амплитуду U0 (источник «S0») несущего высокочастотного колебания, частоту F модулирующего гармонического колебания (позиция Frequency на панели «Function Generator»). Амплитуду UНЧ модулирующего сигнала (позиция Amplitude) указать равной 1 В (установлена по умолчанию). При UНЧ =1 В реализуемый коэффициент амплитудной модуляции М соответствует напряжению источника «М». Установить его равным 0.8 (М = 0.8).
Далее следует установить параметры диода (модель «Ideal») — обратный тепловой ток «Saturation current (IS)», коэффициент инжекции «Emission coefficient (N)» и сопротивление диода постоянному току в прямом направлении «Ohmic resistance (RS)» — в соответствии с табл. 36 и номером Вашего вариан-
126
та. Остальные параметры диода оставить без изменения. Установить сопротивление R нагрузки детектора в соответствии с табл. 36.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Параметры детектируемого |
Параметры элементов детектора: |
||||||||
N |
|
АМ-колебания |
|
фильтра |
|
диода |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f0, кГц |
|
U0, В |
|
F, кГц |
R, кОм |
RS, Ом |
IS, A |
|
N |
1 |
300 |
|
6.0 |
|
0.5 |
100 |
5 |
10−14 |
|
1.0 |
2 |
350 |
|
5.5 |
|
0.6 |
90 |
10 |
10−12 |
|
1.0 |
3 |
400 |
|
5.0 |
|
0.7 |
80 |
15 |
10−10 |
|
1.0 |
4 |
450 |
|
4.5 |
|
0.8 |
70 |
10 |
10−8 |
|
1.5 |
5 |
500 |
|
4.0 |
|
0.9 |
60 |
5 |
10−6 |
|
2.0 |
6 |
550 |
|
4.5 |
|
1.0 |
50 |
3 |
10−7 |
|
2.5 |
7 |
600 |
|
5.0 |
|
1.1 |
60 |
20 |
10−8 |
|
2.0 |
8 |
650 |
|
4.5 |
|
1.2 |
70 |
10 |
10−10 |
|
1.2 |
9 |
700 |
|
6.0 |
|
1.3 |
80 |
15 |
10−14 |
|
1.0 |
10 |
750 |
|
5.5 |
|
1.4 |
90 |
10 |
10−6 |
|
2.0 |
11 |
800 |
|
5.0 |
|
1.5 |
100 |
5 |
10−7 |
|
1.5 |
12 |
850 |
|
4.5 |
|
1.6 |
110 |
3 |
10−8 |
|
1.3 |
13 |
900 |
|
4.0 |
|
1.7 |
120 |
10 |
10−10 |
|
1.0 |
14 |
950 |
|
4.5 |
|
1.8 |
130 |
15 |
10−14 |
|
0.8 |
15 |
1000 |
|
5.0 |
|
1.9 |
140 |
5 |
10−8 |
|
1.2 |
Подобрать оптимальное значение ёмкости фильтра на выходе детектора.
Рассчитать в соответствии с формулой (66) условные границы C' = 1/(R f0) и C" = 1/(R F) интервала значений ёмкости С фильтра на выходе детектора. В качестве искомой ёмкости рекомендуется установить сначала величину, определяемую как среднее геометрическое значение рассчитанных условных границ: C ≈
C' C" . Перед моделированием проверьте, подключена ли ёмкость к схеме детектора (переключатель, управляемый клавишей «С», должен быть в левом положении).
Произвести имитационное моделирование. Изучить осциллограмму напряжения на выходе детектора. Если для напряжения на выходе детектора характерны высокочастотные пульсации значительной амплитуды, как, например, показано на рис. 65, а, то постоянная времени RC-фильтра слишком мала, и ёмкость С следует увеличить. Если из осциллограммы видно, что при уменьшении амплитуды детектируемого напряжения конденсатор C не успевает разряжаться через большое сопротивление R, и напряжение на выходе детектора не отсле-
127
живает изменение амплитуды входного колебания (рис. 65, б), то величина ёмкости С чрезмерно велика.
a |
Рис. 65 |
б |
|
|
Принудительно изменяя ёмкость С в окрестности рассчитанного значения, выяснить, при каком его значении Сопт искажения выходного сигнала детектора минимальны. Уточнённое в ходе эксперимента значение Сопт ёмкости конденсатора указать в отчёте. Зарисовать осциллограммы напряжений на входе и выходе детектора для ситуации минимальных линейных искажений детектированного колебания.
Подключить канал «А» осциллографа к среднему верхнему выводу коммутатора напряжений «Switch», снять и зарисовать осциллограмму напряжения на диоде. Объяснить её вид.
Исследовать влияние постоянной времени фильтра на искажения выходного колебания детектора.
Уменьшить величину ёмкости фильтра в 15…20 раз. Повторить моделирование применительно к меньшему значению постоянной времени фильтра и зарисовать осциллограмму выходного напряжения детектора.
Увеличить величину ёмкости в 15…20 раз по сравнению с оптимальным значением. Вновь зарисовать осциллограмму выходного напряжения детектора.
Объяснить качественный вид полученных осциллограмм. Сделать вывод о влиянии величины постоянной времени RC-фильтра на качество детектированного колебания.
10.4.2. Исследование детекторных характеристик диодного детектора
Подготовить установку к работе.
Установить значение ёмкости C, обеспечивающее минимальные искажения детектированного колебания. Переключатель, управляемый клавишей «I», перевести в верхнее положение. Отключить источник «Function Generator» от входа модулятора и подключить его ко входу субблока «1». Установить частоту подключенного источника равной частоте f0 (табл. 36).
128
Снять детекторную характеристику.
Последовательно изменяя амплитуду входного немодулированного высокочастотного колебания детектора Uω от нуля до 1.5…2 В, измерять постоянное напряжение Ū на выходе детектора. Для измерения выходного напряжения использовать осциллограф расширенной модификации (кнопка «Expand»), в которой имеется возможность задействовать визирные линии. Канал «А» осциллографа рекомендуется при этом отключить от вывода коммутатора, для того чтобы осциллограмма входного колебания не препятствовала измерениям. Поскольку напряжение на выходе детектора может иметь незначительные пульсации, измерять следует среднее значение напряжения. Особенно тщательно провести измерения при малых уровнях детектируемого сигнала, т. е. на нижнем загибе детекторной характеристики. Результаты внести в табл. 37.
Таблица 37
Uω, мВ |
0 |
25 |
50 |
75 |
… |
… |
… |
… |
… |
Ū, мВ |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Построить полученную зависимость выходного напряжения Ū детектора от амплитуды Uω колебания на входе. Начальный участок характеристики изобразить отдельным графиком в более крупном масштабе. Прокомментировать форму детекторной характеристики, сделать выводы о том, при каких уровнях входного напряжения исследуемый детектор работает в линейном режиме. Указать в отчёте минимальную амплитуду UЛ детектируемого напряжения, при которой исследуемое устройство осуществляет линейное детектирование.
Получить зависимость коэффициента передачи детектора от амплитуды детектируемого колебания.
Используя данные табл. 37 и формулу (69), рассчитать для каждого значения амплитуды входного напряжения коэффициент передачи исследуемого детектора Kд. Результаты расчёта занести в табл. 38.
Таблица 38
Uω, мВ |
0 |
25 |
50 |
75 |
… |
… |
… |
… |
… |
Kд |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
Θ,° |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Построить графически зависимость коэффициента передачи Kд детектора от амплитуды Uω детектируемого колебания. Проанализировать её форму, сравнить с показанной на рис. 63. Сделать выводы.
Используя формулу (69), рассчитать теоретические значения угла отсечки Θ тока диода для каждого значения амплитуды входного напряжения и внести
129