МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВПО СЕВЕРО–КАВКАЗСКИЙ ГОРНО– МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВПО СЕВЕРО–КАВКАЗСКИЙ ГОРНО–
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
А.В.ШИРЯЕВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО
ДИСЦИПЛИНЕ
«РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»
для направления подготовки (специальности)
210100 «Электроника и наноэлектроника»
2013 г.
Пособие содержит описания лабораторных работ, выполняемых при изучении
курса «Радиотехнические системы». К каждой работе даются пояснения,
,порядок выполнения работы, методические указания, требования к отчету и
приводится перечень контрольных вопросов, подготовка ответов на которые
способствует успешному усвоению изучаемого материала.
Одобрено методическим советом ФЭТ
Составитель: А.В. Ширяев
Заказ____. Тираж 30 экз. Объем 2,5 п.л.
Издательство СКГТУ «Терек». Подразделение оперативной полиграфии.
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева,44.
2
Содержание
стр.
Лабораторная работа №1. Исследование транзисторного
усилителя напряжения звуковой частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Лабораторная работа №2. Исследование схемы амплитудной
модуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Лабораторная работа №3. Исследование LC – генератора . . . . . . . . 14
Лабораторная работа №4. Исследование усилителя промежуточной
частоты и амплитудного детектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Лабораторная работа №5. Исследование преобразователя частоты
и амлитудного детектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Лабораторная работа №6. Исследование частотного детектора и
амплитудного ограничителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Лабораторная работа №7. Измерение основных параметров
радиоприемников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3
Лабораторная работа №1
Исследование транзисторного усилителя напряжения звуковой частоты
Цель работы – изучение принципа действия усилителя напряжения
звуковой частоты (УЗЧ) на транзисторе, включенном с общим эмиттером;
экспериментальная проверка расчета элементов схемы и определение ее
основных параметров (рис. 1).
Рисунок 1 – Схема усилителя напряжения звуковой частоты
Пояснения. Каскады усиления напряжения звуковой частоты чаще всего
выполняют на транзисторах, включенных с общим эмиттером (ОЭ), так как
при этом получают наибольшее усиление сигнала по мощности (по
сравнению с двумя другими схемами включения транзистора – с ОБ и ОК).
Рабочую точку усилительного каскада выбирают в каждом конкретном
случае в зависимости от параметров, которыми должен обладать усилитель.
Основными требованиями, предъявляемыми к каскаду, являются:
максимальное усиление по напряжению; минимальные частотные и
нелинейные
искажения,
высокая
экономичность;
температурная
стабильность.
Одновременно выполнить все эти требования невозможно. Так, при
большом усилении снижается устойчивость работы усилителя, который
легко возбуждается, превращаясь в генератор, и нарушается его нормальное
функционирование. Увеличение температурной стабильности обязательно
сопровождается снижением усиления и КПД.
В данной работе исследуется усилитель, к которому предъявляют
требования минимальных искажений усиливаемого сигнала при
максимальном использовании возможностей транзистора. Рабочую точку
такого каскада выбирают в определенной последовательности.
На семействе выходных характеристик транзистора (рис. 2,а) строят
линию нагрузки БВ, исходя из следующих условий:
ЕК / R3  0,8I К max ,
ЕК  0,8U КЭ max .
4
(1)
(2)
Выполнение неравенства (1) необходимо потому, что коллекторный ток
насыщенного транзистора должен быть меньше максимально допустимого
тока Iк max. Коэффициент 0,8 гарантирует выполнение этого неравенства при
разбросе сопротивления резистора R3 и нестабильности источника питания
Ек. Выполнение неравенства (2) обеспечивает надежную работу транзистора
в режиме отсечки или при обрыве цепи резистора R1, когда напряжение на
коллекторе транзистора поднимается почти до Ек.
Рабочая точка каскада А (р.т.) выбирается посередине рабочего участка
линии нагрузки БВ и характеризуется тремя параметрами: токами IБр.т. и IКр.т.
и напряжением UКЭ р.т.. Затем ее переносят на входную характеристику
транзистора, снятую при UКЭ = UКЭ р.т., и по найденному значению IБр.т
определяют напряжение UБЭ р.т (рис. 2,б).
Рисунок 2 – Определение рабочего режима работы транзистора в усилителе
Входной сигнал (его ток IБ~, напряжение UБ~) вызывает появление
переменных составляющих тока коллектора IК~ и напряжения на коллекторе
UКЭ~ = IК~.R3 (см. рис.1). Эмиттерный резистор R4 из цепи переменного тока
исключен, поскольку шунтируется малым сопротивлением конденсатора
С3.
Рассчитаем коэффициент усиления напряжения К каскада. Напряжение
входного сигнала Uвх от генератора G поступает через разделительный
конденсатор C1 на базу транзистора VT1 и вызывает три тока. Два из них,
проходящие через резисторы R1 и R2 делителя, бесполезны, а третий IБ~,
проходит в цепи базы транзистора и управляет его токами. Входным
сопротивлением каскада для генератора G, обладающего внутренним
сопротивлением Ri , являются параллельно включенные резисторы базового
делителя R1 R2 и входное сопротивление h11Э транзистора, т.е.
Rвх = R1
R2
h11Э .
(3)
Обычно сопротивления резисторов R1 и R2 значительно больше
входного сопротивления h11Э транзистора, поэтому формулу (3) можно
упростить:
5
Rвх ≈ h11Э.
(4)
Цепь генератора входного сигнал G, которым может быть каскад
предварительного усиления, аналогичный рассматриваемому, в общем
случае представляет собой последовательно включенные внутренне
сопротивление Ri генератора и входное сопротивление Rвх каскада. Согласно
формуле (4):
Iвх = Uвх /(Ri + Rвх ) ≈ IБ~,
т.к. переменными токами, проходящими через резисторы R1 и R2 от
генератора G ввиду их малости можно пренебречь. Отсюда переменная
составляющая тока коллектора
IК~ = h21Э. IБ~ = h21Э. Uвх/(Ri + Rвх),
а напряжение
напряжение,
на
коллекторе,
представляющее собой
выходное
UКЭ~ = IК~ . R3 = h21Э. Uвх . R3/(Ri + h11Э) = Uвых.
Тогда коэффициент усиления напряжения
К = Uвых / Uвх = h21Э. R3/(Ri + h11Э).
Этот параметр усилителя
зависит от частоты и амплитуды
усиливаемого сигнала. Это объясняется тем, что с понижением частоты
падения напряжения на конденсаторах С1 и С2 под действием входного и
выходного токов каскада увеличиваются и представляют собой потери
напряжения сигнала, а конденсатор С3 все меньше шунтирует резистор R4 ,
что увеличивает полное сопротивление эмиттерной цепи транзистора и
глубину отрицательной
обратной связи по переменному току, а
следовательно, уменьшает коэффициент усиления напряжения К.
При повышении частоты сигнала необходимо учитывать влияние
входной и выходной емкостей транзистора, шунтирующих входное и
выходное сопротивления каскада, что проявляется уменьшением полезного
тока, поступающего на его вход и в нагрузку (на рис. 1 одна из таких
емкостей эквивалентно представлена конденсатором С4).
Для оценки влияния частоты сигнала на коэффициент усиления
напряжения используют амплитудно – частотную характеристику (АЧХ)
усилителя (рис. 3,а). Полосой пропускания П усилителя называют интервал
частот ∆f , в пределах которого коэффициент усиления снижается не более
чем на 3 дБ (до уровня 0,707) по отношению к его значению на средних
частотах К0 (для УЗЧ частота fср = 400÷ 1000Гц).
Другой важной характеристикой усилителя является амплитудная
характеристика (АХ) такого усилителя, выражающая зависимость выходного
сигнала Uвых от входного Uвх (рис. 3,б). Так как участок 0 – 1 ее линейный,
6
коэффициент усиления до напряжения Uвхmax
сохраняет постоянное
значение. Начиная с точки 1, рост выходного сигнала отстает от роста
входного. Это объясняется тем, что рабочая точка транзистора под
действием входного сигнала выходит за пределы рабочего участка БВ линии
нагрузки (см. рис. 2,а). При этом резко возрастают нелинейные искажения.
Рисунок 3 – Амплитудно – частотная и амплитудная характеристика
усилителя
Зная параметры транзистора в рабочей точке, можно рассчитать
сопротивления резисторов R1 и R2 базового делителя. Ток делителя должен
быть в 2–5 раз больше тока базы IБр.т. Такой делитель позволяет выполнить
достаточно стабильный при изменении температуры каскад при
одновременном выполнении требования экономичности.
На резисторе R2 делителя должно действовать напряжение
UR2 = UБЭ р.т. + UR4 ,
(5)
откуда сопротивление
R2 = UR2/Iд,
(6)
тогда
R1 = Ек – UR2/(IБ р.т. + Iд).
(7)
Так как выбранная рабочая точка находится посередине рабочего
участка БВ линии нагрузки, это позволяет подавать на вход каскада и
снимать с его выхода максимальные сигналы. Нередко рабочую точку
выбирают ближе к точке В. При этом каскад потребляет от источника Ек
значительно меньшую мощность и способен усиливать лишь небольшие по
амплитуде сигналы, поскольку требование о недопустимости смещения
рабочей точки за пределы рабочего участка линии нагрузки остается в силе.
Обычно так выполняются предварительные каскады усиления.
Порядок выполнения работы
1. Вычертить таблицы 1– 3 для записи режимов транзистора по постоянному
току и результатов, полученных при снятии его амплитудно – частотной и
7
амплитудной характеристик, а также координатные оси (рис. 4 и 5) для их
построения.
Таблица 1 – Режимы транзистора по постоянному току
Параметр транзистора в
Рассчитанный
Измеренный
рабочей точке
IБ р.т., мА
UБЭ р.т., В
IК р.т., мА
UКЭ р.т.,В
Таблица 2 – Результаты измерения АЧХ усилителя
Частота, кГц
0,02 0,05 0,1 0,2 0,5
Коэффициент
вар. 1
усиления, К
вар. 2
вар. 3
5
После
коррекции
20
50
100
Таблица 3 – Результаты измерения амплитудной характеристики усилителя
Входное напряжениеUвх, мВ
50 100 200 300 400 450 500
Выходное
вар. 1
напряжение Uвых, В вар. 2
2. Зарисовать электрическую схему исследуемого усилителя (см. рис. 1) и
собрать схему измерений.
3. Используя формулы (5), (6) и (7), рассчитать сопротивления резисторов
базового делителя.
4. Измерить параметры режима транзистора по постоянному току и занести
результаты измерений, а также рассчитанные параметры в таблицу 1.
5. Снять АЧХ и АХ усилителя, занося результаты измерений соответственно
в таблицы 2 и 3, и построить их в координатных осях (рис. 4,5).
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R3 =1 кОм; R4 = 200 Ом; R5 = 2
кОм; С2 =100 мкФ; VT1 – транзистор КТ361А; сопротивления R1 и R2
рассчитывают по формулам (6) и (7), а емкость конденсаторов С1, С3 и С4
задают в трех вариантах: С1 = 0,1 мкФ, С3 = 10 мкФ, С4 = 0,01 мкФ; С1 = 10
мкФ, С3 = 0,1 мкФ,
С4 = 0,1 мкФ; С1 = С3 = 10 мкФ, С4 = 0,01 мкФ.
2. Для расчета базовой цепи следует принять Ек = 10В.
3. Ток базы IБ р.т. определяют по входной характеристике транзистора
взятой из справочника, а ток коллектора рассчитывают по формуле
IК р.т. = (ЕК – UКЭ р.т. –UR4)/R3.
8
К
К
К0/2
0,02
0,05
0,1
0,2
0,5
1
2
5
10
20
50
100
f, кГц
Рисунок 4 – График амплитудно – частотной характеристики усилителя
Uвых,В
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
0
40 80 120 160 200 Uвх,мВ
Рисунок 5 – График амплитудной характеристики усилителя
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Название и технические данные использованных в работе измерительных
приборов.
3. Схема транзисторного усилителя напряжения звуковой частоты.
4. Таблицы 1 – 3 с результатами измерений.
5. Графики амплитудно – частотной и амплитудной характеристики
усилителя.
Контрольные вопросы
1. Что происходит с рабочей точкой при увеличении сопротивления резистора
R1 или R2?
2. Какие элементы схемы влияют на АЧХ усилителя в области нижних и
верхних частот сигнала?
3. Как проявляют себя нелинейные искажения при усилении синусоидальных
сигналов?
4. Как изменится усиление каскада, если исключить из него конденсатор С3?
5. Какую форму будет иметь выходной сигнал при отключении резистора R1?
9
Лабораторная работа №2
Исследование схемы амплитудной модуляции
Цель работы – изучение принципа получения амплитудно–модулированных
колебаний.
Пояснения. Радиосвязь осуществляется излучением в пространство и
последующим приемом радиочастотной электромагнитной энергии. Для
передачи информации радиочастотный сигнал модулируют, изменяя один из
его параметров в соответствии с сигналом информации (звуком,
изображением и др.). Существует три вида модуляции: амплитудная,
частотная и фазовая. При амплитудной модуляции (АМ) изменяется
амплитуда радиочастотного сигнала, при частотной (ЧМ) – его частота, а
при фазовой (ФМ) – фаза.
В данной работе рассматривается один из возможных способов
осуществления амплитудной модуляции. Амплитудно – модулированный
сигнал показан на рисунке 1,а. Степень изменения амплитуды
радиочастотного колебания определяется коэффициентом модуляции m,
который рассчитывается по формуле:
m  100%
U max  U min 
.
U max  U min 
Рисунок 1 – Амплитудно – модулированный сигнал и его спектр
Схема для получения амплитудно – модулированных колебаний
представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема для получения амплитудно – модулированных колебаний
10
При отсутствии модуляции Umin = Umax и, следовательно, m = 0. При
максимально возможной глубине модуляции Umin, а m = 100%. При
модуляции с коэффициентом m > 100% происходит перемодуляция, при
которой в течение некоторых интервалов времени информация теряется, так
как нет излучения. В радиовещании амплитудную модуляцию с
коэффициентом m, близким к 100%, не используют.
Спектральный состав АМ – сигнала сложен. Так, при модуляции
синусоидальным сигналом частотой F амплитудно – модулированное
колебание состоит из трех немодулированных колебаний (рис.1,б), имеющих
частоты f0 (несущая частота), (нижняя боковая частота) и f0 + F (верхняя
боковая частота).
При модуляции сложным сигналом, спектр которого лежит в пределах
Fmin – Fmax, сигнал (рис. 1,в) состоит из несущей частоты f0 и двух боковых
полос: верхней (от f0 + Fmin до f0 + Fmax) и нижней (от f0 – Fmax до f0 – Fmin)
так как каждый синусоидальный сигнал спектра образует две симметрично
расположенные относительно f0 частоты: нижнюю и верхнюю боковые
частоты. Таким образом, при модуляции синусоидальным сигналом полоса
пропускания радиоканала должна быть не менее 2F, а при модуляции
сигналом сложного спектрального состава – 2Fmax.
Модуляция – процесс нелинейный, так как на вход модулятора
поступают два синусоидальных сигнала, частоты которых f0 и F, а на его
выходе образуются три радиочастотных колебания, имеющих частоты
f0, f0 – F и f0 + F.
Для получения амплитудно – модулированных колебаний модулятор
передатчика должен работать в режиме колебаний второго рода или близким
к нему. В этом случае модулирующий сигнал звуковой частоты управляет
коэффициентом усиления радиочастотного сигнала, а в выходной цепи
каскада появляются импульсы радиочастотного тока, амплитуда которых
изменяется в соответствии с модулирующим сигналом. Нагрузочный контур,
настроенный на несущую частоту, выделяет радиочастотные колебания,
также промодулированные по амплитуде.
Схема получения амплитудно – модулированного сигнала (см. рис. 1)
состоит из модулятора на транзисторе VT1 и фазоинверсного каскада на
транзисторе VT2. Сигнал радиочастоты подается на базу транзистора VT1
через разделительный конденсатор С1, а сигнал звуковой частоты – на его
эмиттер через разделительный конденсатор С3. Нагрузкой каскада служит
одиночный колебательный контур, настроенный на несущую частоту.
Под действием сигнала звуковой частоты коэффициент усиления
модулятора изменяется, что видно на модуляционной характеристике (рис.
3), которая показывает зависимость радиочастотного напряжения Uрч на
коллекторе транзистора модулятора от напряжения Uэ на его эмиттере.
Модуляционная характеристика позволяет определить рабочую точку А
(р.т.) каскада по постоянному току, т.е. напряжение на эмиттере транзистора
при отсутствии входного сигнала, а также максимальный размах
модулирующего сигнала.
Рабочая точка модулятора характеризуется постоянным напряжением
11
на эмиттере Uэ0 и средним напряжением радиочастотного сигнала Uрч0.
Рисунок 3 – Модуляционная характеристика модулятора
Минимальная и максимальная амплитуды радиочастотного сигнала
определяются границами линейного участка модуляционной характеристики
Uрч min и Uрч max. Двойной размах модулирующего сигнала определяется как
проекция линейного участка характеристики на ось абсцисс, т.е. составляет
2Uзчmax.
Колебания через разделительный конденсатор С4 поступают на
фазоинверсный каскад, выходные примерно равные и противофазные
напряжения которого могут служить для возбуждения
двухтактного
выходного каскада передатчика.
Порядок выполнения работы
1.Вычертить таблицы 1 и 2 для записи параметров модуляционной
характеристики и режимов транзисторов по постоянному току, а также
координатные оси (рис. 4).
Таблица 1 – Модуляционная характеристика
Напряжение Uэ, В –0,4 –0,3 –0,2 –0,1
Выходное
напряжение Uрч,В
0
+0,2
Таблица 2 – Режимы транзисторов по постоянному току
Гнездо (клемма)
Х1
Х3
Х4
Х6
Х7
Х8
Напряжение, В
+0,6
«–Ек»
Uрч,В
20
15
10
5
–0,4
–0,3
–0,2
–0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4 UЭ,В
Рисунок 4 – График модуляционной характеристики
12
+0,8
2. Зарисовать схему исследуемого модулятора (рис. 2) и собрать схему
измерений.
3. Отрегулировать коллекторный контур, наблюдать амплитудно –
модулированный сигнал, снять и зарисовать осциллограммы напряжения на
коллекторе транзистора VT1 (гнездо Х3) при синхронизации осциллографа
радиочастотным сигналом и сигналом звуковой частоты.
4. Зарисовать осциллограммы напряжения на коллекторе транзистора VT1
при перемодуляции и импульсной модуляции.
5. Снять модуляционную характеристику (см. рис.3), занося результаты
измерений в таблицу 1, и построить ее в координатных осях (см. рис.4).
Определить Uрч min, Uрч max, Uэ0 и mmax.
6. Собрать фазоинверсный каскад и наблюдать АМ – сигналы на его
выходах.
7. Измерить режимы транзисторов по постоянному току и занести
результаты измерений в таблицу 2.
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1 = 82 кОм; R2 = 2,4 кОм; R3 =
510 Ом; R4 = 20 кОм; R5 = 5,1 кОм; R6 = 1,6 кОм; R7 = 1,2 кОм; C1 = 0,01
мкФ; C2 = 510 пФ; C3 = 20 мкФ; C4 = 0,1мкФ; C5 = C6 = 0,022 мкФ; L1 –
фильтр Z1; VT1 и VT2 – транзисторы КТ361А.
2. При сборке схемы модулятора используют: R1, R2, R3, С1,С2,С3,L1 и VT1.
3. При сборке фазоинверсного каскада дополнительно используют элементы
R4, R5, R6, R7, С4, С5, С6 и VT2.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Название и технические данные использованных в работе измерительных
приборов.
3. Схема устройства для осуществления амплитудной модуляции.
4. Таблицы 1 и 2 с результатами измерений.
5. График модуляционной характеристики.
Контрольные вопросы
1. Для чего модулируют передаваемый радиочастотный сигнал?
2. Каковы принципы, достоинства и недостатки амплитудной модуляции?
3. Какую полосу частот занимает АМ – сигнал при модуляции
синусоидальным сигналом и сигналом сложной формы?
13
Лабораторная работа №3
Исследование LC – генератора
Цель работы – изучение принципа действия автогенератора с индуктивной
обратной связью, экспериментальное определение условий для получения
незатухающих электрических колебаний (рис. 1).
Пояснения. LC – генератор предназначен для преобразования энергии
источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических
колебаний синусоидальной формы, частота которых определяется
индуктивностью катушки и емкостью конденсатора колебательной системы.
При включении источника коллекторного питания Ек в контуре L2C2
возникают электрические колебания, частота которых
f= 1/2π L2C 2 .
(1)
Так как в контуре обязательно имеется активное сопротивление, то из –
за потерь на нем энергии колебательный процесс вскоре прекратиться.
Незатухающим колебательный процесс будет лишь в том случае, если
потери энергии будут восполняться от внешнего источника питания. Один
из возможных способов восполнения потерь энергии исследуется в данной
работе.
Рисунок 1 – Схема LC – генератора
На закрытый транзистор VT1 воздействуют импульсы отрицательной
полярности малой длительности, которые открывают его. При этом в
коллекторной цепи появляются короткие мощные импульсы тока,
заряжающие конденсатор С2, и в контуре возникает колебательный процесс,
частично или полностью затухающий к моменту прихода очередного
импульса, восполняющего потери.
Такой колебательный процесс с периодическим затуханием колебаний
используют, например, в генераторах ударного возбуждения при
формировании
меток
дальности
в
индикаторных
устройствах
радиолокационных станций.
14
Исследуя генератор ударного возбуждения, можно выявить следующие
особенности.
При уменьшении длительности импульсов возбуждения амплитуда
колебаний увеличивается, так как конденсатор заряжается только в течение
одного полупериода переменного напряжения. Если же импульс тока имеет
длительность, большую одного полупериода, конденсатор, зарядившись во
время первого полупериода, разряжается в течение следующего.
Следовательно, для эффективного возбуждения колебаний в контуре
необходимо, чтобы длительность импульса была меньше длительности
полупериода свободных колебаний. При увеличении частоты импульсов
возбуждения затухание колебательного процесса уменьшается, а при
равенстве частот свободных колебаний и импульсов возбуждение не
наблюдается вообще.
Затухание колебаний в контуре происходит тем быстрее, чем больше
потери в нем.
На основании этого можно сформулировать правила, в соответствии с
которыми выполняют автогенератор. Во – первых, для восполнения потерь
энергии незатухающих электрических колебаний необходимо хотя бы один
раз за период сообщать колебательной системе определенную энергию.
Причем для поддержания постоянной амплитуды колебаний энергия,
поступающая в контур извне, должна быть равна энергии потерь. Во –
вторых, фаза восполняющего потери тока (или напряжения) должна быть
такой, чтобы энергия колебательной системы увеличивалась.
Первое правило позволяет сформулировать условие баланса амплитуд:
получение незатухающих колебаний возможно лишь в том случае, когда
приток энергии в колебательную систему извне равен ее потерям.
В автогенераторах условие баланса амплитуд выполняют следующим
образом: часть энергии колебаний из выходной цепи транзистора передается
в его входную цепь для управления током выходной цепи, энергию которого
используют для восполнения потерь.
В исследуемой схеме энергия из коллекторной цепи транзистора VT1
передается в базовую цепь в виде э.д.с. взаимоиндукции, наводимой в
катушке L1, индуктивно связанной с катушкой L2. Э.д.с. взаимоиндукции
управляет базовым током транзистора VT1, что приводит к появлению в
коллекторном токе переменной составляющей с частотой колебаний
контура.
Второе правило позволяет сформулировать условие баланса фаз:
обратная связь, охватывающая автогенератор должна быть положительной.
Действительно, фаза переменной составляющей коллекторного тока
транзистора VT1 должна быть такой, чтобы конденсатор С2 контура
заряжался импульсами коллекторного тока. Конденсатор С2 заряжается,
если ток из внешней цепи поступает на его положительный заряженный
электрод, и разряжается при токе противоположного направления.
Так, для полупериода колебаний, в течение которого переменная
составляющая тока Iк~ коллектора совпадает по направлению с его
постоянной составляющей Iк-= (оба тока проходят по цепи: резистор R3 или
15
конденсатор С4, эмиттер – коллектор транзистора VT1, контур, –Ек), нижний
электрод конденсатора C2 должен быть заряжен положительно, что
соответствует положительному полупериоду переменной составляющей
напряжения на коллекторе транзистора VT1 и отрицательному полупериоду
напряжения на его базе, так как транзистор в схеме с ОЭ инвертирует фазу
входного сигнала.
Таким образом, для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы
фаза сигнала, поступившего по цепи обратной связи на вход усилительного
элемента для его управления, была противоположна фазе сигнала на
колебательном контуре и коллекторе транзистора, т.е. обратная связь должна
быть положительной.
Условие баланса амплитуд выражается формулой К. β = 1, где β –
коэффициент передачи цепи обратной связи, К – коэффициент усиления
каскада на транзисторе VT1 при отключенной катушке L1.
Условие баланса фаз выражается формулой φос + φус = 3600, где φос, φус –
фазовые сдвиги, вносимые цепью обратной связи и усилителем.
Порядок выполнения работы
1. Вычертить таблицу 1 для записи частот генерации в зависимости от
емкости конденсатора С2.
Таблица 1 – Зависимость частоты генерации генератора от емкости
конденсатора С2
Емкость конденсатора, С2, пФ
0
100
510
1000
10000
Частота контура ударного
возбуждения, кГц
измеренная
Частота генерации,
кГц
рассчитанная
2. Зарисовать схему исследуемого генератора (см. рис. 1), собрать схему
генератора, измерить частоту колебаний в контуре ударного возбуждения и
занести результаты измерений в таблицу 1. Зарисовать осциллограммы
затухающих колебаний.
3. Собрать схему автогенератора, добиться его самовозбуждения, используя
конденсаторы, номинальные емкости которых приведены в таблице 1.
4. Рассчитать и измерить частоты генерации, занося результаты в таблицу 1.
5. Определить минимальные напряжения источника коллекторного питания Ек
и сопротивления резистора нагрузки R4, при которых генератор сохраняет
работоспособность.
6. Выяснить влияние конденсатора С5 на параметры колебаний.
16
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1 =51 кОм; R2 = 10кОм; R3 =100 Ом,
R4 = 22 кОм (переменный), С1 = 0,01 мкФ, С5 = 100 пФ и 510 пФ; L1 и L2 –
фильтр Z1; VT1 – транзистор КТ361А; перемычку.
2. При исследовании схемы с контуром ударного возбуждения используют:
R2,R3, R4(переменный), С2, С3, С4, L2 (выводы катушки L1 не подключают),
VT1, гнезда Х1 и Х2 закорачивают перемычкой.
3. Подать на вход схемы (верхний вывод конденсатора С1 – зажим «┴») от
генератора импульсный сигнал отрицательной полярности частотой 10 кГц
с минимально возможной длительностью и максимально возможной
амплитудой. Вход осциллографа подключают к гнезду Х3, а вывод «┴»– к
гнезду Х5.
4. При максимальном сопротивлении резистора R4 получают на экране
осциллографа осциллограммы затухающих электрических колебаний в
контуре при С2 =0 (конденсатор С2 не устанавливают, его функцию
выполняет суммарная паразитная емкость С ). Следует убедиться, что при
уменьшении сопротивления резистора R4 затухание колебаний в контуре
происходит быстрее, т.е. увеличиваются потери энергии в контуре, так как
этот резистор включен параллельно контуру и отбирает тем большую
энергию, чем меньше его сопротивление. Наконец, при некотором
сопротивлении резистора R4 колебательный процесс в контуре вообще не
возникает, т.е. контур становится апериодическим.
5. Поочередно включая конденсаторы С2 различной емкости и измеряя
частоту затухающих колебаний, следует убедиться, что с увеличением
емкости она уменьшается. Частоту колебаний рассчитывают по формуле (1).
6.При исследовании незатухающих колебаний схему дополняют резистором
R1, конденсатором С1 и катушкой L1.
Если генератор не возбуждается, проверяют выполнение условия
баланса фаз, поменяв местами выводы катушки L1. Затем устанавливают
конденсатор С5 = 100 пФ (при С2 =100 пФ) и убеждаются в его влиянии на
частоту генерации.
7. Уменьшая напряжение источника питания Ек и измеряя напряжение на
выходе генератора определяют, при каком напряжении питания происходит
срыв генерации. Затем, увеличивая нагрузку (уменьшая сопротивление
резистора R4), определяют, при каком сопротивлении нагрузки происходит
срыв генерации.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Название и технические данные использованных в работе измерительных
приборов.
3. Схема исследуемого LC – генератора.
4. Таблица 1 с результатами измерений.
5. Осциллограммы напряжений.
17
Контрольные вопросы
1. Какими параметрами схемы определяется частота колебаний в контуре
ударного возбуждения?
2. Почему с уменьшением длительности импульсов возбуждения амплитуда
колебаний в контуре увеличивается?
3. Каков физический смысл баланса амплитуд и баланса фаз?
4. Как может быть изменен баланс амплитуд в исследуемой схеме
автогенератора?
5.Как влияет величина сопротивления резистора R4 на амплитуду колебаний
автогенератора.
Лабораторная работа №4
Исследование усилителя промежуточной частоты и амплитудного
детектора
Цель работы – изучение принципа действия каскадов усилителя
промежуточной частоты (УПЧ), приобретение навыков регулирования
избирательных усилителей, исследование схемы амплитудного детектора.
Пояснения. Современные радиоприемники чаще всего выполняют по
супергетеродинной схеме, что обеспечивает уверенный прием с высокими
чувствительностью и избирательностью. Принцип супергетеродинного
приема состоит в том, что входной сигнал, выделенный из множества
сигналов, действующих в антенне, преобразуется в сигнал промежуточной
частоты с сохранением спектрального состава, т.е. содержащейся
информации. Другими словами, спектр принятого сигнала, включающий
несущую частоту, на которой сообщение излучается радиопередатчиком,
переносится в другую часть диапазона радиочастот. При этом несущая
частота в принятом сообщении заменяется промежуточной частотой,
постоянной во всем диапазоне рабочих частот приемника. Дальнейшее
усиление принятого сигнала происходит на промежуточной частоте, которая
обычно значительно ниже несущей, что облегчает построение усилителей.
Амплитудно – частотная характеристика усилителя промежуточной
частоты должна быть близка к прямоугольной – кривая 1 (рисунок 1).
В этом случае УПЧ в диапазоне частот от fпч – Fmax до fпч + Fmax (где fпч
– промежуточная частота; Fmax – максимальная частота модулирующего
сигнала) обладает равномерным усилением и искажения сигнала будут
минимальны. Одновременно все частоты,
лежащие за пределами
выбранного диапазона, подавляются, что необходимо для достижения
нужной избирательности.
18
Рисунок 1 – АЧХ усилителя промежуточной частоты
Однако получение прямоугольной АЧХ связано с большими
трудностями – необходимостью построения колебательных систем,
состоящих из нескольких связанных колебательных контуров. Такие
системы сложны в регулировке, дороги и применяются лишь в тех случаях,
когда требования к прямоугольности АЧХ высоки (например, в УПЧ
телевизионных приемников цветного изображения).
Каскады УПЧ приемников выполняют на одиночных и связанных
контурах.
В первом случае АЧХ (кривая 2) аналогична по форме кривой
одиночного колебательного контура. Усиление УПЧ неравномерно и
сохраняется при значительной расстройке за пределы диапазона 2Fmax.
Приемники при этом обладают невысокой избирательностью, а,
следовательно, на их вход могут попасть сигналы близко расположенных
станций.
Во втором случае АЧХ по форме близка к прямоугольной (кривая 3) и
имеет крутые скаты, что свидетельствует о высокой избирательности
приемника и равномерности усиления в пределах полосы пропускания.
Обычно связь между контурами устанавливается близкой к критической или
несколько больше ее.
Для выделения сигнала информации из амплитудно – модулированного
сигнала промежуточной частоты применяют амплитудный детектор (рис.
2,а,б).
Рисунок 2 – Схема амплитудного детектора и его работа
19
Процесс детектирования состоит в выпрямлении переменного тока
промежуточной частоты, последующей фильтрации составляющей
промежуточной частоты выпрямленного напряжения и выделения
модулирующего сигнала, являющегося сигналом информации.
Ток диода VD1 представляет собой последовательность импульсов
промежуточной частоты, амплитуда которых изменяется по закону
модулирующего
сигнала
(огибающей
принятого
амплитудно
–
модулированного сигнала). Конденсатор С6 заряжается этими импульсами
почти до амплитуды напряжения Uпч , а в интервале между ними успевает
немного разрядиться через резистор R4 , чтобы вновь подзарядиться
очередным импульсом. На выходе детектора появляется переменное
напряжение модулирующего сигнала Uзч.
Постоянную составляющую сигнала UC6 не учитывают, так как при
дальнейшем усилении ее не пропускают разделительные конденсаторы
усилителя звуковой частоты.
Емкость конденсатора С6 должна быть достаточно большой, чтобы
пульсации напряжения промежуточной частоты на выходе детектора были
как можно меньшими, что повышает эффективность детектирования. В то
же время этот конденсатор должен успевать разряжаться через резистор R4
при быстром изменении амплитуды входного напряжения детектора, что
соответствует верхним частотам модулирующего сигнала. В ином случае
изменяется форма модулирующего сигнала Uзч , т.е. возникают нелинейные
искажения сигнала информации (рис. 2,в).
Исследуемая схема (см. рис. 3) состоит из УПЧ на транзисторе VT1,
включенном по схеме с ОЭ, связанных контуров L1C2 и L2C5 в нагрузке и
Рисунок 3 – Схема УПЧ и амплитудного детектора
амплитудного детектора, в который входят диод VD1 и фильтр R4C6. На
вход схемы (гнездо 1) поступает амплитудно – модулированный сигнал, а с
выхода детектора (гнездо 3) снимается низкочастотный модулирующий
сигнал. Подключив осциллограф к гнезду 2, можно наблюдать процесс
настройки каскадов УПЧ с одиночными или связанными контурами.
20
Порядок выполнения работы
1. Вычертить таблицы 1 и 2 для снятия амплитудно – частотных
характеристик УПЧ с одиночными и связанными контурами и координатные
оси (рисунок 4) для их построения.
Таблица 1 – АЧХ УПЧ с одиночным контуром
Расстройка частоты ∆f,кГц
–50 –20
–10
Выходное напряжение Uпч, В
0
+10
+20
+50
Таблица 2 – АЧХ УПЧ со связанными контурами
Расстройка частоты ∆f,кГц
–50 –20
–10
Выходное напряжение Uпч, В
0
+10
+20
+50
Uпч,В
5
4
3
2
1
– ∆f, кГц
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50 + ∆f, кГц
Рисунок 4 – Графики АЧХ УПЧ с одиночными и связанными контурами
2. Вычертить таблицу 3 для снятия амплитудной характеристики УПЧ и
координатные оси (рис. 5)
Таблица 3 – Амплитудная характеристика УПЧ
Входное напряжение Uвх.пч, мВ –50 –20
–10
Выходное напряжение UR4, В
21
0
+10
+20
+50
UR4,В
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
40
80
120
160 Uвхпч ,мВ
Рисунок 5 – График амплитудной характеристики УПЧ
3. Зарисовать электрическую схему исследуемого усилителя (см. рис.3),
собрать схему измерений, снять АЧХ усилителя, занося результаты
измерений в таблицы 1 и 2, и построить ее в координатных осях (см. рис. 4).
4.Снять амплитудную характеристику УПЧ и детектора, занося результаты
измерений в таблицу 3, и построить ее в координатных осях (рис. 5).
5.Зарисовать осциллограммы напряжений в гнездах 2 и 3 (см. рис. 3) при
различных емкостях конденсатора С6 и убедиться в том, что сигнал на
выходе детектора повторяет огибающую амплитудно – модулированного
сигнала на входе УПЧ.
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1 =33 кОм; R2 =3,9 кОм; R3 = 200
Ом; R4 = 15 кОм; С1 =1000 пФ; С2 = С5 = 510 пФ; С3 = С4 = 0,01мкФ; С6 =
680 и 1000 пФ; L1 и L2 – фильтр; VT1 – транзистор КТ361А; VD1 – диод Д9;
перемычку.
2. При сборке УПЧ с одиночным контуром используют: R1, R2, R3, С1, С2,
С3, L1, VT1, перемычку.
3. Устанавливают на выходе источника питания напряжение 10В и подают
его, соблюдая полярность, на гнезда «–ЕК» и Х10. Устанавливают на выходе
измерительного генератора частоту сигнала 465 кГц с амплитудой 100 мВ и
подключают его к зажимам 1 – « ┴ ».
После этого подключают осциллограф к гнездам 2 и Х7 и, вращая
сердечник катушки L1,
добиваются максимального переменного
напряжения на коллекторе транзистора VT1.
4. При сборке УПЧ со связанными контурами выводы катушки L2 включают
в соответствующие гнезда и устанавливают конденсатор С5. Сигнальный
вывод осциллографа переключают в верхнее гнездо для подключения диода
VD1. Вращением сердечника катушки L2 добиваются максимального
напряжения на вторичном контуре, а вращением сердечника L1
дополнительно увеличивают напряжение на нем, компенсируя расстройку
первичного контура. Связь между контурами при такой настройке близка к
критической или несколько превосходит ее.
22
5. При сборке схемы для снятия амплитудной характеристики УПЧ и
детектора используют VT1, R4,С6 = 680 пФ, а также электронный вольтметр,
подключаемый к гнездам 3 и Х9.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Название и технические данные использованных измерительных
приборов.
3. Схема усилителя промежуточной частоты и амплитудного детектора и
подключенными для измерений приборами.
4. Таблицы 1 – 3 с результатами измерений.
5. Графики амплитудно – частотной (АЧХ) и амплитудной характеристик
детектора.
Контрольные вопросы
1. Принцип действия усилителя промежуточной частоты.
2. Почему в нагрузке УПЧ используют колебательные контуры?
3. Каков вид АЧХ УПЧ с одиночным и связанными контурами в нагрузке?
4. Как работает амплитудный детектор?
5. Почему приемник должен иметь хорошую избирательность?
Лабораторная работа №5
Исследование преобразователя частоты и амплитудного детектора
Цель работы – изучение принципа действия преобразователя частоты и
амплитудного детектора с удвоением напряжения, приобретение навыков
регулирования преобразователя частоты.
Пояснения. Преобразование частоты состоит в переносе спектра
принимаемого сигнала из одной части диапазона радиоволн в другую с
сохранением
вида
и
параметров
модуляции,
используется
в
супергетеродинных приемниках и осуществляется специальными каскадами,
называемыми смесителями (рисунок 1).
Рисунок 1 – Функциональная схема смесителя
23
На входы смесителя проступают принятый сигнал Uc частотой fc и
сигнал Uг вспомогательного генератора (гетеродина) частотой fг. При
перестройке приемника частоты fc и fг изменяются так, что их разность fг –
fc (иногда fc – fг) остается постоянной в любой точке диапазона. Таким
образом, для каждого принимаемого сигнала Uc вырабатывается сигнал
гетеродина Uг частотой fг на постоянное значение fпч, называемое
промежуточной частотой. Именно на частоте fпч происходит основное
усиление сигнала.
При преобразовании частоты происходят перемножение двух
колебаний – сигнал гетеродина и принятого сигнала – в нелинейных
устройствах с переменными параметрами и последующая фильтрация
разностной составляющей сигнала произведения.
Рассмотрим перемножение двух сигналов в идеальном смесителе,
который не искажает форму исходных сигналов. Пусть принятый сигнал
uc = Uc(t)coswct (где Uc(t) – огибающая сигнала, соответствующая закону
модуляции), а сигнал гетеродина uг = Uгcoswгt. Вычислим произведение
сигналов, называемое преобразованным сигналом:
uпр = uc uг = Uc(t).Uг coswct coswгt =
= 0,5Uc(t).Uг cos(wc – wг)t + 0,5Uc(t).Uг cos(wc + wг)t.
Таким образом, преобразованный сигнал содержит две составляющие.
Первая составляющая имеет разностную частоту wc – wг, и ее огибающая
пропорциональна огибающей сигнала. Следовательно, спектр этой
составляющей повторяет спектр принятого сигнала, но перенесенный в
область разностной частоты. Сигнал разностной частоты (промежуточная
частота приемника) выделяется настроенным на нее фильтром, полоса
пропускания которого должна быть достаточной для выделения всего
спектра принимаемого сигнала. То же можно сказать о второй составляющей
преобразованного сигнала, частота которой wc + wг.
В исследуемой схеме (см. рис. 2) смеситель, нагрузкой которого
являются связанные контуры L2C3 и L3C6, настроенные на промежуточную
частоту 415кГц, выполнен на транзисторе VT1, включенным по схеме с ОЭ.
Рисунок 2 – Схема смесителя с амплитудным детектором с удвоением
напряжения
24
На один из входов смесителя (гнездо 1) подают входной сигнал, на
другой (гнездо 2) – сигнал гетеродина. Режим транзистора по постоянному
току, создаваемый делителем R1R2 и резистором R3, должен обеспечивать
перемножение этих сигналов. При этом в нагрузке выделяется сигнал
разностной частоты 415кГц, на которую настроены контуры L2C3 и L3C6.
Последовательный (режекторный) контур L1C2
также настроен на
промежуточную частоту и предназначен для подавления на входе смесителя
мешающих сигналов промежуточной частоты, которые могут проникнуть на
вход схемы и исказить полезный сигнал.
При выполнении данной работы оба сигнала (принятый и гетеродина)
поступают на входы смесителя от измерительных генераторов и должны
быть сопряжены между собой с точностью в несколько килогерц, причем
частота гетеродина выше частоты принимаемого сигнала на 415кГц. Частота
принимаемого сигнала изменяется в пределах 465 – 515кГц, а частота
сигнала гетеродина – в пределах 880 – 930 кГц. Принимаемый сигнал
регулируется от 0 до 300мВ действующего значения, а сигнал гетеродина не
регулируется и составляет 500 – 800мВ действующего значения.
Сигнал промежуточной частоты поступает с выхода смесителя на
выполненный по схеме удвоения напряжения на диодах VD1 и VD2 детектор
(рис. 3). В положительный полупериод напряжения Uпч ток проходит по
цепи: верхний вывод контура L3C6, конденсатор С7, диод VD1, корпус,
нижний вывод контура L3C6. В течение этого полупериода конденсатор С7
заряжается почти до амплитуды Uпч (его левый электрод заряжен
положительно).
Рисунок 3 – Схема детектора с удвоением напряжения
В отрицательный полупериод напряжения Uпч ток проходит по цепи:
нижний вывод контура L3C6, конденсатор С8, диод VD2, конденсатор С7,
верхний вывод контура L3C6. В этот полупериод максимальное напряжение,
которым заряжается конденсатор С8, складывается из амплитуды
напряжения контура и напряжения заряженного конденсатора С7, т.е. почти
по удвоенной амплитуды напряжения Uпч. Схема детектора с удвоением
напряжения применяется в портативных радиоприемниках и некоторых
других устройствах и позволяет почти вдвое увеличить сигнал,
поступающий с детектора (в приемниках – на усилитель звуковой частоты).
25
Порядок выполнения работы
1. Вычертить таблицы 1 и 2 для записи результатов измерений и режимов по
постоянному току в схеме, а также координатные оси (рис. 4) для построения
амплитудной характеристики УПЧ и детектора.
Таблица 1 – Результаты измерений характеристик преобразователя и
амплитудного детектора
Напряжение сигнала, Uвх, мВ
80 160 240 320 400
Напряжение
двойная амплитуда Uпчmax
Промежуточной
действующее значение,
частоты Uпч, В
Uпч = / 2 2
Коэффициент усиления преобразователя
Кпр = Uпч/Uвх
Выходное
Схема 1 VD2 (Д9)
напряжение, В
VD2 (КД103)
Схема 2 VD1,VD2 (Д9)
VD1,VD2(КД103)
Таблица 2 – Режимы работы схемы по постоянному току
Гнездо
Х3
Х5
Х6 «–Ек»
Напряжение, В
Uпч,В
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
80
160
240
320 Uвхпч ,мВ
Рисунок 4 – График амплитудной характеристики УПЧ
2. Зарисовать электрическую схему преобразователя частоты и детектора
(см. рис. 2) и собрать схему измерений.
3. Отрегулировать контуры преобразователя и, подавая на его вход ряд
напряжений немодулированного сигнала, измерять выходной сигнал
26
промежуточной частоты и выходное напряжение детектора, занося
результаты в таблицу 1.
4. Изменяя частоту входного сигнала и частоту гетеродина, убедиться, что на
выходе преобразователя частота сигнала не изменяется и равна
промежуточной частоте.
5. Вводя модуляцию входного сигнала, наблюдать выходной сигнал
промежуточной частоты и выходной сигнал детектора. Убедиться в
отсутствии искажений огибающей в результате преобразования частоты.
6. Изменяя глубину модуляции входного сигнала, убедиться в
соответствующем изменении глубины модуляции сигнала промежуточной
частоты и амплитуды сигнала звуковой частоты на выходе детектора.
7. Изменяя частоту модуляции, убедиться в изменении частоты огибающей
сигнала промежуточной частоты и частоты выходного сигнала детектора.
8. Пользуясь данными таблицы 1, построить амплитудную характеристику
преобразователя и детектора в координатных осях (рис. 4).
9. Измерить постоянные составляющие напряжений в трех точках схемы,
занести результаты в таблицу 2 и зарисовать осциллограммы напряжений
(осциллограммы напряжений строят одну под другой в одном и том же
масштабе времени).
Методические указания
1. При выполнении работы используют: R1=39 кОм; R2 =2,4 кОм; R3 =1кОм;
R4 = 33 кОм; С1= С4 = 0,022 мкФ; С2 = 1000 пФ; С3 = С6 = 680 пФ; С5 =
0,033 мкФ; С7 = С8 = 0,01 мкФ; VD1 и VD2 – диоды Д9 и КД103А, L1 –
фильтр, VT1 – транзистор КТ361А.
2. Устанавливают на выходе измерительного генератора сигнал 415 кГц с
амплитудой 0,1 – 0,2 В и подключают его к исследуемой схеме к гнездам 1 –
Х2.
3. Подключают вход осциллографа к гнезду Х1, а вывод «┴» – к гнезду Х2.
4. Вращая сердечник катушки L1, настраивают режекторный фильтр на
промежуточную частоту. В результате настройки последовательного контура
L1C2 на частоту 415 кГц напряжение этой частоты на базе транзистора VT1
должно стать минимальным.
5. Переключают вход осциллографа в гнездо 3. Вращая сердечник катушки
L1, вновь добиваются минимального напряжения промежуточной частоты,
но уже на коллекторе транзистора VT1. Отключают режекторный фильтр
(извлекают конденсатор С2), и, вращая сердечник катушки L2, добиваются
максимального напряжения промежуточной частоты на коллекторе
транзистора VT1, что соответствует настройке контура на промежуточную
частоту. Вновь устанавливают конденсатор С2.
6. Переключают вход осциллографа в гнездо Х8 и, вращая сердечники
катушек L2 и L3, добиваются максимального напряжения промежуточной
частоты на вторичном контуре. При этом расстройка первичного контура,
27
вызванная
отключением
от
него
осциллографа,
оказывается
скорректированной.
7. Устанавливают на выходе измерительного генератора частоту сигнала 465
кГц. Подключают выход генератора к гнезду 1 исследуемой схемы, а выход
гетеродинного генератора – к гнезду 2.
8. Для измерения сигнала промежуточной частоты используют осциллограф.
При этом удобно измерять двойную амплитуду сигнала Uпч – его полный
размах. Пересчет в действующее значение выполняют по формуле
Uпч = Uпчmax / 2 2 .
9. В данной работе исследуют две схемы амплитудных детекторов:
последовательную однотактную (схема 1) и с удвоением напряжения (схема
2).
При сборке схемы 1 устанавливают только один диод VD2, а гнезда для
подключения конденсатора С7 закорачивают перемычкой. Схему 2
собирают по рисунку 3. Обе схемы собирают сначала на германиевых, а
затем на кремниевых диодах.
Для наблюдения амплитудно – модулированных колебаний
измерительный генератор переводят в режим работы с амплитудной
модуляцией с коэффициентом амплитудной модуляции 30 –50 %.
10. Осциллограммы напряжений строят одну под другой в одном и том же
масштабе времени.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Название и технические данные использованных измерительных приборов.
3. Схема преобразователя частоты и амплитудного детектора.
4. Таблицы 1 и 2 с результатами измерений.
5. Графики амплитудной характеристики УПЧ и детектора.
6. Осциллограммы напряжений.
Контрольные вопросы
1. Принцип работы и назначения преобразователя частоты в радиоприемных
устройствах.
2. Назначение элементов схемы исследуемого преобразователя частоты.
3. Каковы достоинства супергетеродинного приема?
4. Почему промежуточная частота обычно меньше частоты принимаемого
сигнала?
5. Как должна изменяться частота гетеродина при работе преобразователя
частоты?
6. Как работает амплитудный детектор с удвоением напряжения?
28
Лабораторная работа №6
Исследование частотного детектора и амплитудного ограничителя
Цель работы – ознакомиться с принципом действия, определить параметры,
снять амплитудную и основную характеристики частотного детектора,
работающего с амплитудным ограничителем.
Пояснения. В схеме частотного детектора с амплитудным ограничителем,
показанной на рисунке 1, два одиночных параллельных колебательных
контура L1,С3 и L2,С4 настроены на разные частоты и имеют разные
добротности. Резонансные кривые параллельных колебательных контуров,
построенные на одном графике, показаны на рисунке 2,а.
Рисунок 1 – Схема частотного детектора с амплитудным ограничителем
Рисунок 2 – Резонансные кривые параллельных контуров (а), основная (б)
и амплитудная (в) характеристики частотного детектора
29
При условии постоянства амплитуды тока через контур напряжение Uк
на нем максимально на резонансной частоте
f0  1/ 2 LC .
Резонансная частота f02 контура L2,С4 меньше резонансной частоты f01
контура L1,С3. На несущей частоте fн (соответствующей точке пересечения
резонансных кривых) напряжения Uк1 и Uк2 на последовательно включенных
контурах равны, поэтому равны постоянные напряжения на резисторах R5 и
R6. А так как они направлены встречно, то выходное постоянное напряжение
частотного детектора на сглаживающем конденсаторе С5 будет равно нулю.
При отклонении частоты в меньшую сторону от fн напряжение на
втором контуре увеличивается, а на первом контуре уменьшается и на
выходе детектора появляется напряжение определенного знака. При
отклонении частоты в другую сторону от fн растет напряжение на первом
контуре и падает на втором, следовательно, на выходе появляется
напряжение другой полярности. Рабочая полоса частот детектора лежит
между f02 и f01. Зависимость напряжения на выходе детектора при
изменении частоты входного сигнала, называемая основной характеристикой
детектора, показана на рис.2,б.
В схеме, показанной на рис. 1, входной сигнал в виде напряжения
переменного тока подается на каскад с общей базой (транзистор VT1),
коллекторной нагрузкой которого служат последовательно включенные
контуры.
Выходной сигнал частотного детектора должен определяться только
частотой входного сигнала и не зависеть от его амплитуды, поэтому
частотный детектор обычно работает с амплитудным ограничителем. В
приведенной схеме ограничение напряжения осуществляется на входе
частотного детектора ограничительной цепочкой, состоящей из резистора R1
и встречно включенных диодов VD1 и VD2. При малых входных
напряжениях (до 0,5В) сопротивления диодов велики и входной сигнал
поступает без ослабления на вход каскада с общим эмиттером. С ростом
амплитуды входного напряжения сопротивления диодов падают, и
происходит ослабление сигнала, поступающего на вход усилительного
каскада. Так как прямое напряжение на кремниевом диоде мало зависит от
тока через него, то переменное напряжение Uогр также слабо зависит от
входного напряжения, начиная с некоторого значения. Этот уровень
входного напряжения называется порогом ограничителя. Зависимость
выходного напряжения всей схемы частотного детектора от входного
напряжения называется его амплитудной характеристикой. Ее вид для
некоторой частоты f2 показан на рис. 2,в. Для нормальной работы детектора
уровень входного напряжения должен быть больше порогового значения. В
этом случае при воздействии помех на амплитуду входного сигнала
напряжение на выходе детектора не изменяется, так как оно зависит только
от частоты входного сигнала.
30
Порядок выполнения работы
1. Подключить к схеме частотного детектора (см. рис. 1) измерительную
аппаратуру и блок питания, установив на нем напряжение 12В.
2. Рассчитать граничные частоты f01 и f02 исследуемого детектора. Снять
экспериментально основную характеристику детектора, занося показания в
таблицу 1. Прежде чем снимать характеристику, следует экспериментально
определить рабочий диапазон частот исследуемого детектора, т.е. частоты
f01 и f02 . Для этого следует установить входное напряжение схемы примерно
на уровне 2В и, плавно изменяя частоту генератора в районе рассчитанных
значений f01 и f02 , найти такое значение частоты, при котором выходной
вольтметр схемы покажет напряжение, близкое к нулю на пределе 1В или
3В. Это значение будет соответствовать частоте fн. Увеличивая частоту от
значения fн, надо определить момент, при котором выходное напряжение
детектора перестанет расти с увеличением частоты (оно может при
дальнейшем увеличении частоты и падать). Этому моменту будет
соответствовать частота f01. Уменьшая частоту генератора от значения fн
(при этом выходное напряжение детектора меняет знак), найти аналогично
частоту f02. При изменении частоты следует учитывать, что рабочий
диапазон достаточно узок (300 – 500Гц), поэтому частоту необходимо
изменять достаточно плавно и медленно. После определения частот f01 и f02
снимают основную характеристику детектора таким образом, чтобы
каждому изменению частоты соответствовало изменение выходного
напряжения примерно на 0,25В. Перед снятием характеристики необходимо
убедиться, что входной сигнал превышает пороговое значение. Для этого,
установив частоту f01 или
f02, убедиться по показаниям выходного
вольтметра, что увеличение уровня входного сигнала не приводит к
заметному изменению выходного напряжения.
Таблица 1 – Основная характеристика частотного детектора
f, кГц
Uвых, В
3. По данным таблицы 1 построить основную характеристику частотного
детектора, отметив на ней частоты f01, f02 и fн.
4. Снять амплитудные характеристики детектора для экспериментально
определенных частот f01 и f02, занося показания в таблицу 2. Измеряют
амплитуду входного напряжения, изменяемого от нуля через интервалы, при
которых выходное напряжение изменяется на 0,5В, осциллографом,
подключенным к выходу генератора
Таблица 2 – Амплитудная характеристика детектора
f01=…кГц Uвх, мВ
Uвых, В
f02=…кГц Uвх, мВ
Uвых, В
31
5. По данным таблицы 2 построить амплитудные характеристики детектора
для трех частот и определить по ним пороговое напряжение Uпор детектора.
6. Установить частоту генератора, равную несущей частоте, а его выходное
напряжение – больше порогового. Установить минимальную скорость
развертки луча осциллографа, подключив его к выходу детектора.
Циклически изменяя частоту генератора (модулируя ее) поворотом ручки
регулировки то влево, то вправо от положения, соответствующего несущей
частоте, убедиться в появлении на выходе детектора циклического
напряжения, наблюдая его на экране осциллографа.
Методические указания
1. При выполнении работы используют: VT1 – транзистор КТ361А,
резисторы R1 = 100 Ом; R1/ = 220 Ом; R2, R3 = 560 Ом; R4 =1кОм; R5 =R6 =
15 кОм; VD1,VD2 – Д223, VD3,VD4 – Д9Д, L1, L2 – 60 мГ, С1,С2 –50,0 мкФ,
С3 – 0,1 мкФ, С4 – 0,15 мкФ; С5 – 10,0 мкФ.
2. Измерительные приборы: стабилизатор напряжения Б5–49, электронный
осциллограф С1– 49, электронный вольтметр В3–36, генератор сигналов Г4–
102.
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Название и технические данные использованных измерительных приборов.
3. Схема частотного детектора с амплитудным ограничителем и
подключенными для измерений приборами.
4. Расчетные и экспериментальные параметры частотного детектора: f01, f02
fн, Uпор.
5. Таблицы 1 и 2 с результатами измерений.
6. Графики основной и амплитудной характеристик детектора.
Контрольные вопросы
1. Принцип работы частотного детектора.
2. Каково назначение частотного детектора?
3. Какова полярность выходного напряжения детектора при частоте входного
сигнала большей, чем fн?
4. Что называется основной характеристикой частотного детектора?
5. Для чего в схему частотного детектора вводят ограничитель амплитуды?
6. Что называется порогом частотного детектора при его совместной работе с
амплитудным ограничителем?
32
Лабораторная работа №7
Измерение основных параметров радиоприемников
Цель работы – ознакомиться с основными параметрами радиоприемников и
техникой их измерения для диапазона средних и длинных волн.
Пояснения. Чувствительность приемника определяется напряжением на его
входе, при котором на выходе устанавливается нормальная мощность,
обычно равная 0,1 номинальной. Принято измерять чувствительность
приемников при коэффициенте модуляции m = 0,3 (30%) и частоте
модуляции
400
или
1000Гц.
Чувствительность
современных
радиоприемников лежит в пределах от 20 до 500 мкВ, а телевизионных – 250
– 100000 мкВ. Чувствительность приемников с магнитной антенной
характеризуется напряженностью электромагнитного поля в месте приема и
составляет 1 – 3мВ/м.
Номинальной выходной мощностью Рвых называется максимальная
выходная мощность, при которой коэффициент искажения выходного
напряжения не превышает допустимого (установленного) значения. Удобнее
измерять не выходную мощность, а выходное напряжение на нагрузке. При
2
РВЫХ  U ВЫХ
/ RН ,
этом
где Rн – сопротивление нагрузки (для радиоприемников – это сопротивление
катушки громкоговорителя).
Поскольку нормальная мощность
Рнор = 0,1Рном,
то выходное напряжение Uнор, соответствующее нормальной мощности,
можно определить по формуле
0,1U2ном/Rн = U2нор/Rн,
т.е.
Uнор ≈ 0,3 Uном.
Полосой пропускания высокочастотной части при приеме амплитудно –
модулированных сигналов называется интервал частот, на границах
которого чувствительность ухудшается в 2 раз или на 3 дБ по сравнению с
чувствительностью
на
резонансной
частоте.
В
современных
радиоприемниках полоса пропускания равна 5 – 6 кГц, а высокого класса –
до 10 – 12 кГц. Иногда отсчет полосы пропускания делают на уровне 0,5 от
резонансной чувствительности.
Избирательность приемника по соседнему каналу показывает, во
сколько раз ухудшается чувствительность приемника при расстройке на 10
33
кГц. В радиовещательных приемниках она находится в пределах от 20 до 60
дБ.
Избирательность по зеркальному каналу определяется при расстройке
на удвоенную промежуточную частоту.
Диапазон принимаемых частот – это область частот, на которые может
быть настроен приемник. Современные радиоприемники строятся на
диапазоны: 150 – 420 кГц (2000 –723 м)– длинные волны; 520 – 1600 кГц
(576 –188 м) – средние волны; 4 –13 МГц (76 – 23 м) – короткие волны.
Уровень фона определяется как отношение
Кф = Uф /Uном,
где Uф – напряжение на выходе приемника при замкнутом входе усилителя
низкой частоты.
Предел действия АРУ характеризует степень постоянства сигнала на
выходе приемника при изменении уровня сигнала на входе. Для приемников
среднего класса изменению входного сигнала в 100 раз (40 дБ) соответствует
изменение выходного напряжения в 5 – 10 раз (т.е. на 14 –20 дБ).
Кроме того, для оценки свойств приемников используют частотные
характеристики приемного и низкочастотного трактов усиления. В
схеме испытания радиоприемника, имеющего антенный вход, показанный
на рис. 1,
ЭА – эквивалент антенны (рис. 2), ГСС – генератор стандартных
сигналов высокой частоты, предназначенных для создания напряжения на
входе радиоприемника. Для наблюдения формы выходного напряжения
приемника служит осциллограф, а для измерения его – вольтметр.
БП
Генератор
ВЧ
(ГСС)
ЭА
Радио –
приемник
к
Осцил–
лограф
Рисунок 1 – Схема испытания радиоприемника
Рисунок 2 – Эквивалент антенны
34
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему для исследования радиоприемника (см. рис 1).
2. Определить экспериментально номинальную выходную мощность Рном
приемника для заданного сопротивления катушки громкоговорителя. Для
определения Рном следует установить несущую частоту задающего
генератора примерно в середине диапазона длинных или средних волн.
Установить коэффициент внутренней модуляции выходного сигнала
генератора m =0,3 (30%). Поставить регулятор громкости (если он есть) в
положение, соответствующее максимуму усиления в тракте низкой частоты.
Настроить приемник на заданную частоту по максимуму выходного
напряжения. Увеличить выходное напряжение генератора до такого
значения, при котором появляются различимые «на глаз» искажения в
кривой выходного напряжения, наблюдаемой на экране осциллографа. Это
напряжение и будет Uном.
3. Определить чувствительность приемника в середине диапазона средних
Еа.ср и длинных волн Еа.дл волн. Для определения чувствительности следует
установить несущую частоту генератора в середине диапазона, на котором
определяется чувствительность. Установить коэффициент модуляции m =
0,3. Регулятор громкости поставить в положение максимума усиления.
Настроить приемник на несущую частоту генератора по максимуму
выходного напряжения. Напряжение входа увеличивать до тех пор, пока на
выходе приемника напряжение не возрастет до нормального, равного 0,3
Uном. Полученное значение Еа отсчитывают по шкале выходного напряжения
ГСС.
4. Определить для исследуемого приемника диапазоны принимаемых частот
на длинных и средних волнах. Для определения граничных частот
установить коэффициент модуляции m = 0,3. Установить регулятор
настройки частоты приемника в одно из граничных положений диапазона, а
регулятор громкости – в положение максимума усиления. Настраивая
генератор на максимум звука или выходного напряжения при минимуме
входного, зафиксировать частоту, соответствующую границе диапазона.
5. Определить уровень фона приемника.
6. Определить полосу приемного тракта (высокочастотной части) любого
поддиапазона.
Для определения полосы пропускания настроить генератор на какую –
нибудь частоту поддиапазона длинных или средних волн. Установить
коэффициент модуляции m = 0,3. Настроить приемник на частоту
генератора. Увеличить напряжение генератора до такого значения, при
котором выходное напряжение приемника будет равно нормальному
(0,3Uном). Затем, увеличив напряжение генератора в 2 (в 1,4 раза),
расстроить его сначала в одну, а потом в другую сторону так, чтобы на
выходе снова получилось напряжение, равное нормальному. Изменение
частоты, определяемое по шкале генератора, от одного положения
расстройки до другого дает полосу пропускания.
35
7. Определить избирательность приемника по соседнему каналу для
диапазона длинных и средних волн. Измеряют избирательность Sc по
соседнему каналу следующим образом. Сначала измеряют чувствительность
приемника Еа0 при точной настройке ГСС на заданную частоту. Затем, не
меняя настройки приемника, изменяют частоту ГСС на ±10 кГц и вновь
измеряют
чувствительность
Еа
при
расстройке.
Отношение
чувствительности при расстройке к резонансной чувствительности в
логарифмических единицах дает избирательность по соседнему каналу,
выраженную в децибелах:
Sc = 20lgЕа/Еа0.
8. Другие параметры и
указанию преподавателя.
характеристики
приемника
определяют
по
Содержание отчета
1. Наименование отчета.
2. Название и технические данные использованных измерительных приборов
и радиоприемника.
3. Схема исследования приемника и эквивалент антенны.
4. Название и значения определенных в процессе работы параметров
радиоприемника.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные параметры радиоприемника?
2. Каков принцип действия АРУ в приемниках?
3. Что называется нормальным выходным напряжением приемника?
4. Как определяется чувствительность приемника?
5. Что называется номинальной выходной мощностью приемника?
6. Какова несущая частота зеркального канала?
36
Литература
1. Казаринов Ю.М., Коломенский Ю.А., Кутузов В.М. и др.
Радиотехнические системы. – М.: Академия, 2008.
2. Карпушкин Э.М. Радиотехнические системы: учеб. – методическое
пособие /Э.М. Карпушкин – Минск: БГУИР, 2011.
3. Рудой В.М., Лаврентьева Е.В., Сабиров Т.Р. Радиотехнические
системы: Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Изд–во Московского
государственного открытого университета. 2009.
4. Радиоприемные устройства: Учебное пособие для радиотехнических
специальностей вузов/ Ю.Т. Давыдов, Ю.С. Данич, А.П. Жуковский и др.; Под
ред. А.П. Жуковского. – М.: Высшая школа, 1989.
37