исследование амплитудного детектора

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Провести экспериментальное исследование последовательного
диодного детектора включающее ознакомление с физическими
процессами, протекающими в АД и измерение его технических
характеристик.
2. ЗАДАНИЕ ПО РАСЧЕТНОЙ ЧАСТИ
Для значений сопротивлений нагрузки 1.5 кОм,10 кОм и 51
кОм, а также параметров колебательного контура, диода и
транзисторного каскада провести компьютерный расчет
параметров АД, в частности, детекторной характеристики,
входной проводимости и нелинейных искажений (домашний
расчет проводится по указанию преподавателя).
3.ЗАДАНИЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ
3.1. Для последовательного
детектора снять эпюры
напряжений на входе и выходе при наличии на входе АМ
сигнала .
3.2.Исследовать
частотную
характеристику
УПЧ
с
подключенным АД.
3.3.Снять детекторную характеристику АД.
3.4. Для последовательного АД снять эпюры для формы тока,
протекающего через диод при немодулированной и
модулированной несущей.
3.5.Исследовать искажение сигнала за счет разделительной
цепочки С5R7 (C5R8).
3.6. Исследовать работу детектора в режиме удвоения
напряжения.
3.7.Исследовать линейные искажения в АД.
3
4.ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА
Лабораторная установка (рис.1) представляет собой
резонансный усилительный каскад, собранный по схеме с ОЭ,
который нагружен последовательным (ключ S2 в положении 1)
и параллельным (S2 в положении 2) АД (с удвоением
напряжения).
В АД предусмотрено подключение 5 сопротивлений нагрузки
(с номиналами R1=51к,R2=10к,R3=1,5к,R4=100к ( при этом
C3=3нФ ) и R5=100к c параллельно подключенным
конденсатором С4 емкостью
50 нФ),а также небольшое
сопротивление
R6, подключаемое последовательно с
упомянутыми
резисторами нагрузки (для визуального
контроля формы тока через диод ключ S4 устанавливается в
положение 2).
Для снятия детекторной характеристики предусмотрен выход
КТ5 для подключения вольтметра
в режиме измерения
постоянного напряжения.
Ключ S5 изменяет постоянную времени цепочки с С5 и
R7=510к
или
R8=6.2к,
что
позволяет
исследовать
соответствующие искажения.
Позиция ключей S1,S2,S4,S5 – 1
соответствует
их
переключению на макете в положение “вверх”. Рабочее
положение ключей- 1 (“вверх”). Разъем КТ-2 на макете
предусматривает подключение одновременно ГСС и
вольтметра (через тройник СР-50).
5.МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
При выполнении п.3.1 к входам КТ1 и КТ3 подключены
генератор ВЧ (либо с внутренней модуляцией, либо от
генератора НЧ) и осциллограф. К клемме 5 подключен
осциллограф. Частота ГСС устанавливается равной 465 кГц,
входное
напряжение
устанавливается
равным
1В.
Исследование производится:
4
1) при изменении сопротивление нагрузки (R1…R5)
и
коэффициенте модуляции m=30%,
2) при изменении коэффициента модуляции от 10 до 90% и
заданном сопротивлении нагрузки R=10к. На основании
полученных результатов строятся графики.
П. 3.2 выполняется при подключении с помощью тройника
СР-50 ГСС и вольтметра ко входам К2-1 и К2-2, Uвх=1 мВ,
частота меняется в пределах 430-500 кГц, S3 устанавливается в
положения 1,2 и 3,S1- в положение 1.Цифровой вольтметр на
стенде подключается в выходу КТ3. При установке S1 в
положение 2 может быть снята АЧХ УПЧ при отключенном
АД.
При снятии детекторной характеристики по п.3.3 к входам К21 и К2-2, аналогично п.3.2, подключаются
генератор
(немодулированное напряжение меняется от 1 до 10 мВ),
частота
которого устанавливается около 465 кГц (по
максимуму выходного напряжения АД) и внешний вольтметр.
S3 устанавливается в положения 1, 2 и 3. К клемме КТ5
подключается цифровой вольтметр (в режиме измерения
постоянного напряжения).
При выполнении п.3.4 подать от ВЧ генератора напряжение
на вход КТ1
Uвх близким к максимальному (замеряется на
выходе КТ3 цифровым вольтметром), кл. S4 перевести в
положение 2.
Для различных значений сопротивления
нагрузки Rн зарисовать форму импульсов тока, их постоянную
составляющую
зафиксировать
миллиамперметром
РА
(показания в мА). Осциллограф подключается к выходу
КТ4.При наличии АМ установить m=50%.
При выполнении п.3.5 на КТ1 напряжение от генератора ВЧ
подается близким к максимальному. Выходное напряжение на
кл. КТ-6 наблюдать при различных значениях R1-R4 , R7,R8 и
m%.
При выполнении п.3.6 S2- в положении 2 ,остальные ключи-в
1, на вход КТ-1 от ВЧ генератора подается АМ сигнал с
амплитудой 1 В, f=465 кГц, частотой модуляции 1000 Гц и
5
m=50%, сопротивление нагрузки выбрать равным Rн=51к.
Напряжение на выходе КТ5 замеряется вольтметром в режиме
НЧ. Затем снимается модуляция (m=0)
и напряжение
замеряется вольтметром постоянного тока.
Для сравнения с последовательным АД кл. S2 переключается в
положение 1.
При выполнении п.3.7. (по желанию студентов) на вход КТ1
от генератора ВЧ подается АМ сигнал с максимальной
амплитудой и с полосой модулирующих частот 400-16000 Гц.
Rн=51к, вольтметр в режиме измерения НЧ, подключен к
выходу - КТ5.
6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
В отчете содержатся результаты домашнего расчета
детекторной характеристики на компьютере для сравнения с
экспериментом (в случае задания преподавателем), схема
лабораторной установки, результаты эксперимента, выводы.
7.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И КОНТРОЛЯ.
7.1.Принцип работы последовательного АД при постоянном
внутреннем сопротивлении источника сигнала.
7.2. Принцип работы параллельного АД.
7.3.Эпюры напряжений на входе, выходе АД и форма тока
через диод.
7.4.Характеристика детектирования.
7.5.Что позволяет определить характеристика детектирования?
7.6.Спекторограмма на выходе АД при модулированном
сигнале.
7.7.Виды искажений при детектировании АМ сигнала.
7.8.Из каких соображений выбирается сопротивление нагрузки
АД?
7.9.Из каких соображений выбирается емкость нагрузки АД?
7.10.Входное сопротивление (проводимость Gэ) АД.
6
7.11.Теория АД при кусочно-линейной аппроксимации ВАХ
диода.
7.12.Теория АД с учетом колебательного контура на его входе
и при экспоненциальной характеристике диода.
7.13.Принцип действия АД при наличии колебательного
контура на его входе.
7.14.Детекторная характеристика АД с колебательным
контуром.
7.15.Частотная характеристика АД.
7.16. Работа АД в режиме удвоения напряжения.
7.17.Как выбирается амплитуда несущей на входе РУ,
включенного перед АД?
7.18.Из каких соображений выбирается эквивалентное
затухание контура перед АД (при закрытом диоде)?
7.19.Какими показателями характеризуется работа АД?
7.20.Какие искажения возникают в АД при приеме АМ
сигнала?
7.21.Спектрограмма на выходе АД при АМ сигнале.
7.22.Каким образом влияет на качество работы АД
разделительная цепь, подключаемая к его выходу.
7.23.Зачем нужна гальваническая связь АД с подключенным к
его входу источником сигнала?
7.24.Почему
при
экспоненциальной
ВАХ
диода
характеристика детектирования АД близка к линейной
практически на всем участке?
8. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ АД.
Практическая схема АД приведена на рис.2. Она
представляет,по сути, классическую цепь АД, содержащую
диод и RС цепочку, на входе которого включен параллельный
колебательный контур, выполняющий роль источника сигнала
с переменным внутренним сопротивлением. Транзистор
7
выполняет функцию развязывающего элемента между
источником сигнала Uс и остальной схемой АД. Она несколько
отличается от традиционной схемы АД, основные аспекты
теории и физики работы которой ( при аппроксимации ВАХ
диода кусочно-линейной функцией и источником сигнала с
постоянным
внутренним
сопротивлением)
приведены,
например, в /1/.Эти результаты позволяют получить достаточно
хорошее физическое представление о работе обычного АД,
особенно в части искажений сигнала. Вместе с тем, наличие
колебательного контура и развязывающего элемента (БТ)
между
АД
и
источником
сигнала
обуславливают
необходимость уточнения теории /1/. Уточненная теория АД
состоит в следующем.
ВАХ диода описывается экспоненциальной зависимостью
вида


I  I 0 e Uд  1
(1)
В (1) I0 - обратный ток диода,
γ
показатель
крутизны ВАХ ; напряжение между анодом и катодом диода:
U д  U вх  U Д
Uвх - напряжение между анодом диода и землей, Uд продетектированное детектором напряжение.
Введем типовые обозначения и представим (1 ) в виде


I  I 0 e Vдe A cos t  1
(2)
где Uвх=Suс/Gэ, Gэ =G0 +Gвых + Gвх , G0- собственная
проводимость контура, Gвых - выходная проводимость БТ (g22),
Gвх=Im1/Umвх - входная проводимость детектора по первой
8
гармонике частоты сигнала ω, uc=Umc cos ω t-напряжение
сигнала на базе БТ,Vд=γU д, A=γSUmс/Gэ,S- крутизна ВАХ БТ.
Im1-амплитуда тока первой гармоники через диод.
На основании ( 2) коэффициенты разложения в ряд Фурье
имеют вид
1
I д0  I 0 


 e
0
Vд

e A cost  1 d (t )   I 0  e Vд I 0 ( A)  1




(3)
-постоянная составляющая тока через диод и
2
I m1  I 0 



0

e Vд e A cost cos td (t )   2 I 0 e Vд I 1 ( A)

(4)
-амплитуда первой гармоники тока через диод.
Где I0 (А), I1 (А) - модифицированные функция Бесселя
мнимого аргумента.
На основании (3) продетектированное напряжение равно
U   I  0 R
(5)
Коэффициент А в
представить в виде
(2)
для удобства расчетов можно
А=γSUmc(1-Кш)/(G0+Gвых),
(6)
где обозначено
9
Кш =Im1/ SUmc коэффициент шунтирования контура входной проводимостью
АД, G0 ,
Gвых=g22
-соответственно
собственная
и
выходная
проводимости контура и транзистора.
Входная проводимость АД с учетом этого коэфф.
рассчитывается по формуле
Gвх=(G0+Gвых)/(-1+1/Кш).
(7)
Из приведенных соотношений видно, что расчет по (5) и (7)
требует расчета по (3) и (4) токов I0 и Iм1, которые в свою
очередь с учетом (6) могут быть найдены лишь при знании Uд
и Кш.
Это обстоятельство определяет итерационную процедуру
решения системы из двух уравнений с двумя неизвестными,
которая может быть реализована с применением ЭВМ.
Для этого разработана программа RPUAD /2/,которой (по
указанию
преподавателя)
можно
воспользоваться
в
компьютерном классе кафедры (факультета).
Физическая
сущность работы АД с резонансным усилителем на входе и
экспоненциальной характеристикой диода (см. рис. 2) состоит
в следующем. Колебательный контур перед диодом фактически
представляет собой источник
сигнала с переменным
внутренним сопротивлением, т.к. его добротность зависит от
первой гармоники тока, протекающего через диод.
Иными словами, добротность колебательного контура
(эквивалентное затухание dэ, эквивалентная проводимость Gэ)
зависит от степени его шунтирования не только выходной
проводимостью транзистора g22,но и входной проводимостью
Gвх части схемы - диод, Rн,Cн (будем ее называть входной
проводимостью АД). Следовательно, усиление резонансного
усилителя Кн= SRн=S/Gэ –величина не постоянная, а зависящая
от тока , протекающего через диод. При малом сигнале на базе
транзистора (менее 1 мВ)
диод закрыт, т.к. усиленное
напряжение на контуре ниже порога его отпирания (пятки).
10
Например, при S=0.1 A/B и Gэ=0.0002 усиление БТ равно
Кн= 500 и напряжение на входе диода не достигает 0.5 В, т.е.
порога его отпирания (если диод кремниевый).В этом случае
выпрямленное напряжение Uд на выходе АД отсутствует. При
увеличении напряжения на базе (например, в 2 раза) в
линейном режиме работы БТ напряжение на выходе РУ
также должно было бы удвоиться (т.е. достигнуть 1 В), однако
по достижении уровня немногим большего 0.5 В диод
откроется, что равносильно появлению входной проводимости
АД -Gвх, контур ею зашунтируется, его (контура) Gэ возрастет и
усиление РУ Кн в силу формулы Кн= S/Gэ уменьшится. В
результате отпирающее диод напряжение не удвоится, а лишь
немногим превысит порог его отпирания.
Вследствие действия указанного механизма последующее
увеличение уровня сигнала на базе БТ (в 3 и более раз)
приведет лишь к незначительному сдвигу рабочей точки на
ВАХ диода в сторону возрастания тока через него, т.е. к
увеличению постоянной составляющей тока через диод (рост
выпрямленного напряжения Uд) и дальнейшему уменьшению
Gвх.
В итоге, нелинейный рабочий участок
ВАХ диода
(экспонента!) из-за ограниченной своей протяженности
“линеаризутся”, поскольку он “растягивается” на весь диапазон
амплитуд входного сигнала (вспомните известный в
дифференциальном исчислении прием замены при малых
приращениях нелинейной функции отрезками прямых). Это и
предопределяет
высокую
линейность
характеристики
детектирования
такого
АД.
При
этом,
за
счет
“демпфирующего”
действия
колебательного
контура,
одновременно предельно сокращается начальный нелинейный
участок детекторной характеристики, что позволяет сделать
заключение: для описанного АД понятие “работа при слабом
сигнале” практически отсутствует (детектор либо вовсе не
работает, либо работает в нормальном линейном режиме) .
11
ЛИТЕРАТУРА
1.Радиоприемные устройства./….под ред. Н.Н.Фомина.М.:Радио и связь,2003.
2.Чуркин Е.И. Расчет узлов и параметров радиоприемных
устройств с применением ЭВМ./-М.,РИО МИС,1990.
9. ПРИМЕНЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ МС-6 .
Схема последовательного АД, выполненная с применением
универсальной программы
МС-6 (или МС-7) , приведена, как указывалось, на рис.2.
Подробный анализ с применением программы МС-4
подобной схемы выполнен в /3/.
Этот анализ определяет круг проблем, решаемых
и с
помощью программы МС-6 (7).
Ниже приводятся лишь наиболее важные результаты
компьютерного анализа, которые могут быть сопоставлены с
результатами натурного эксперимента. На рис.3 показаны
потенциалы в узлах схемы в режиме анализа DYNAMIC DC.
На рис.4 показан результат анализа АД с РУ, имеющим
резонансную частоту контура около 465 кГц, в режиме AC. На
рис.4а приведена панель с начальными установками
для исследования АЧХ РУ (рис.4б), нагруженного АД с
фиксированным R4.При необходимости это значение может
быть сделано переменным, для чего необходимо перейти в
режим STEPPING и задать соответствующие параметры (шаг)
анализа.
Детекторная характеристика в режиме анализа TRANSIENT
представлена на рис.5б.
12
Она представляет собой набор точек отсчета выпрямленного
напряжения на выходе 3 АД как функции входного напряжения
БТ (узел 2),изменяющегося в пределах от 1 до 10 мВ с шагом 1
мВ. Панели с начальными установками для анализа (включая
режим STEPPING) приведены на рис.5а.
ЛИТЕРАТУРА
1.Радиоприемные устройства./ Под ред. проф.Фомина Н.Н.М.: Радио и связь, 2003 .
2.Чуркин Е.И. Расчет узлов и параметров радиоприемных
устройств с применением ЭВМ. -М.: РИО МЭИС,1990.-50с.,ил.
3.Матвеева О.В. Исследование диодного амплитудного
детектора на ЭВМ с помощью программы схемотехнического
моделирования Micro-CAP 4. М.: РИО МТУСИ ,1998г.
4.Псурцев.
“Открытие
амплитудного
детектора”.
“Радио”,1986,№1.
5.Медвинский А.А. Исследование амплитудных диодных
детекторов.
Лабораторная работа №14.- М.: РИО МЭИС,1993г.
13
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра радиоприемных устройств
Лабораторная работа №14
ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА
Москва 2006
План УМД 2005/2006 уч.г.
14
Лабораторная работа №14
ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА
Составитель Е.И.Чуркин, доцент
Рецензент А.А.Кубицкий, профессор
Издание утверждено советом факультета Р и Т. Протокол № 7
от 16. 03.06
Лабораторная работа №14
ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА
15
Редактор Г.В.Курьянчик
Подписано в печать
06г. Формат 60х84/16
Объем 1,0 усл. п.л. Тираж 200 экз. Изд № .Заказ
______________________________________________________
________________________
ООО “Инсвязьиздат”.Москва,ул.Авиамоторная,8.
Выписка из протокола №7 от 16.03.06 заседания
Ученого совета
факультета РиТ
16
Слушали: сообщение доц Чуркина Е.И. о лабораторной работе
№ 14
“Исследование амплитудного детектора”.
Постановили: рекомендовать описание Л.Р. №14 к изданию в
РИО МТУСИ.
Декан
В.А.Пестряков
ф-та
Ученый
А.М.Коринский
секретарь
17
РЕЦЕНЗИЯ
На описание Лабораторной работы №14 ИССЛЕДОВАНИЕ
ДИОДНЫХ
АМПЛИТУДНЫХ ДЕТЕКТОРОВ
Лабораторная работа №14 является одной из основных в цикле
по курсу РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА и выполняется
на базе универсального
макета, приобретенного кафедрой в 2004 году.
В предоставленном
изготовителем материале
дается
детальное описание эксперимента.
Соответственно, в представленном доц. Чуркиным Е.И.
описании Л.Р., воспроизводится подробное описание
экспериментального исследования АД с учетом специфики
учебного процесса
на кафедре радиоприемных устройств МТУСИ.
В работе приводятся теоретические сведения, объясняющие
принцип работы АД при наличии на его входе колебательного
контура, выполняющего функцию источника напряжения с
переменным внутренним сопротивлением, и наличием диода с
экспоненциальной ВАХ.
В третьей части описания Л.Р. указывается методика
исследования АД с помощью универсальной программы МС-7
(6), что в совокупности с первыми двумя методами позволяет
всесторонне исследовать качественные и количественные
показатели АД.
Представленное доц. Чуркиным описание лабораторной
работы на базе универсального стенда представляется
своевременным в связи с актуальностью укрепления
экспериментальной базы кафедры.
18
В целом, представленное доц.Чуркиным Е.И. описание
лабораторной работы №14, может быть оценено положительно
и рекомендовано к печати в РИО МТУСИ.
Профессор
Кубицкий А.
19