Радиотехнические цепи и сигналы. Ч. 2. Руководство к лабораторным работам для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

КУРАХТИНА Г.С.

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И СИГНАЛЫ

ЦЕПИ

Часть 2 Руководство к лабораторным работам для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

Uсв Cсв1

K1

Cсв2

Ri C1

L1

L2

C2

Г3-120

U2 U1

Петропавловск-Камчатский 2003

Государственный комитет Российской Федерации по рыболовству Камчатский государственный технический университет

Кафедра радиооборудования судов

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ Часть 2 Руководство к лабораторным работам для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

Петропавловск-Камчатский 2003 2

УДК 621.396.4 ББК 32.841 К93 Рецензент: А.А. Дуров, кандидат технических наук, профессор кафедры радиооборудования судов КамчатГТУ Курахтина Г.С. К93

Радиотехнические цепи и сигналы. Ч. 2. Руководство к лабораторным работам для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования». – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2003. – 54 с. Руководство к лабораторным работам составлено в соответствии с программой дисциплины «Основы электродинамики и распространение радиоволн» и требованиями к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки специалиста по специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. Рекомендовано к изданию решением ученого совета КамчатГТУ (протокол № 10 от 27 июня 2003 г.). УДК 621.396.4 ББК 32.841 © КамчатГТУ, 2003 © Курахтина Г.С., 2003

3

СОДЕРЖАНИЕ Стр. Лабораторная работа № 1. Исследование последовательного колебательного контура………………..…... 4 Лабораторная работа №2. Исследование параллельного колебательного контура………………….. …..…15 Лабораторная работа №3. Исследование системы связанных колебательных контуров……….……………………. 26 Лабораторная работа №4. Исследование избирательных цепей при воздействии импульсных сигналов……………….. .. 33 Лабораторная работа №5. Исследование преобразования формы и спектра сигналов в нелинейной цепи….………..….. ... 39 Лабораторная работа №6. Детектирование АМ-сигналов………………………..……….…………………..... 43 Лабораторная работа №7. Преобразование Частоты……………………………………….…………………… 50 Литература………………………………………………..…... 54

4

Лабораторная работа №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомление с работой последовательного колебательного контура, исследование прохождения различных радиосигналов через последовательный колебательный контур, приобретение практических навыков измерения и расчета основных параметров последовательного колебательного контура, построение характеристик последовательного колебательного контура. ОБОРУДОВАНИЕ 1. 2. -

Макет с последовательным колебательным контуром Измерительные приборы: осциллограф С1-112 генератор низкочастотный Г3-120 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

Последовательное соединение катушки индуктивности и конденсатора с источником питания называют последовательным идеальным колебательным контуром (рис. 1.1). L

e(t)

C

Рис. 1.1.

5

В реальном контуре существуют потери энергии, которые обусловлены потерями в активном сопротивлении проводов, соединяющих элементы контура, в активном сопротивлении катушки индуктивности, потерями в диэлектрике конденсатора и т.д. Все эти потери учитываются одним активным сопротивлением R, и схема контура приобретает вид (рис. 1.2). L

e(t)

C

R

Рис. 1.2. Рассмотрим основные характеристики последовательного колебательного контура: 1) Комплексное полное входное сопротивление последовательного колебательного контура определяется выражением: Ζ( jω ) = R + jωL + 1 jωC = R + j (ωL − 1 ωC ) = R + j ( X L − X C ) = R + jX

Модуль комплексного сопротивления равен:

Z (ω ) = R 2 + X 2 = R 2 + (ωL − 1 ωC ) . 2

2) Ток в контуре равен:

I = U вх Z (ω ) = U вх / R 2 + (Lω − 1 ωC ) . 2

Рассмотрим явление резонанса в последовательном колебательном контуре. Резонанс в последовательном колебательном контуре визуально можно зафиксировать по следующим признакам: 6

- максимальному значению тока: I 0 = U вх R . - равенству напряжений на элементах контура: U L0 = U C0 . - совпадение фаз тока и напряжения. Условие резонанса – реактивное сопротивление контура равно нулю:

X 0 = X L0 − X C0 = ω 0 L − 1 ω 0 C , т.е. X L0 = X C0 или ω 0 L = 1 ω 0 C . Отсюда найдем частоту, при которой наступает резонанс:

ω = ω0 = 1

LC

- резонансная свободная (угловая) частота.. Выразим из свободной резонансной частоты ω 0 частоту колебаний f 0 . Т.к. f 0 = ω 0 2π - резонансная частота, то получим:

(

)

f = f 0 = 1 2π LC . Период на частоте резонанса равен:

T0 = 1 f 0 = 2π LC . Т.к. при резонансе I m (Z ( jω )) = jωL − 1 jωC = 0 , то полное комплексное сопротивление в режиме резонанса равно: Z ( jω ) = Z (ω ) = R . При резонансе реактивные сопротивления равны между собой: X L0 = X C0 = ω 0 L = 1 ω 0 C =

L C = ρ , где ρ - характери-

стическое сопротивление контура. Напряжения на элементах контура равны: U R = RI 0 = U вх ;

U L0 = U C0 = ρI 0 Векторная диаграмма напряжений для режима резонанса имеет вид (рис. 1.3).

7

I0

Т.к.

U L0 E=I0R

UL0

UC0

Рис. 1.3.

при резонансе = U C0 , то режим ре-

зонанса в последовательном колебательном контуре называют резонансом (совпадением) напряжений. Отношение действующих значений напряжений на элементах контура U L0 или U C0 при ре-

зонансе к напряжению сигнала на ходе контура U вх называется добротностью контура: Q = U L0 U вх = U C0 U вх = ρI 0 / RI 0 = ρ R = X L R = X C R = ω 0 L R = 1 ω 0 CR

Рассмотрим характеристики последовательного колебательного контура. Последовательный колебательный контур характеризуется резонансными кривыми тока и резонансными кривыми напряжений. 1. Резонансная кривая тока в контуре в абсолютном значении имеет вид (рис. 1.4). I

I0

ω0

Рис. 1.4.

8

ω

2. Резонансные кривые напряжений на элементах контура имеют вид (рис.1.5). U

Uc

QUвх

UL

Ur

Uвх

ωC ω0 Рис. 1.5.

0

ωL

3. Графики, выражающие зависимости X L , − X C и X от частоты ω , которые называются частотными характеристиками, имеют вид (рис. 1.6). X

XL X

ω0 ω -Xc

Рис. 1.6.

9

4. График, выражающий зависимость модуля Z (ω ) входного комплексного сопротивления контура от частоты ω имеет вид (рис. 1.7). Z(ω)

R

ω0

ω

Рис. 1.7. 5. Для сравнения контуров, их резонансные кривые токов строят в относительном масштабе. При построении таких резонансных кривых по оси Оx откладывают отношение частот Δω ω 0 - относительная расстройка контура, где Δω = ω − ω 0 абсолютная расстройка контура, а по оси Oy - отношение токов

I I 0 , где I - ток при любой частоте ω ; I 0 - ток при частоте ω = ω0 . I/I 0

Характеристика I I 0 = f (Δω ω 0 ) , которая называется резонансной кривой в относительном масштабе, имеет вид (рис. 1.8). Рассмотрим способы получения резонанса в последовательном колебательном контуре. Получить режим резонанса в последовательном колебательном контуре можно тремя способами: 10

i

0,1 -0,3

-0,1 0 0,1

0,3

Рис. 1.8.

ω/ω0

- изменением частоты ω источника сигнала; - регулированием индуктивности L катушки; - регулированием емкости C конденсатора. Практически чаще всего режима резонанса добиваются с помощью изменения емкости конденсатора. При резонансе напряжений в последовательном колебательном контуре сигнал, вводимый в контур, снимают либо с конденсатора (С), либо катушки (L), но чаще всего с конденсатора (рис. 1.9). L

e(t)

C Uвых R

Рис. 1.9. Прохождение радиосигнала через частотно-избирательные линейные цепи оценивают комплексным коэффициентом передачи по напряжению. Коэффициент передачи определяется по формуле: K ( jω ) = U ( jω )вых / U ( jω )вх = K (ω )e jϕ (ω ) .

Модуль коэффициента передачи K (ω ) определяет отношение действительных амплитуд выходного и входного напряжений, а аргумент ϕ (ω ) - изменение начальной фазы выходного напряжения по сравнению с входным. В идеальном случае при прохождении сигнала через частотно-избирательные линейные цепи все спектральные составляющие этого сигнала должны изменяться по амплитуде в одинаковое число раз К и испытывать одинаковое запаздывание t во времени. Следовательно, для неискаженной передачи сигнала комплексный коэффициент передачи частотноизбирательной линейной цепи должен иметь вид:

K ( jω ) = Ke ϕ (ω ) , 11

т.е. модуль коэффициента передачи должен быть одинаковым всех передаваемых составляющих сигнала (K (ω ) = K = const ) , а аргумент должен представлять собой ли-

для

нейную функцию частоты (ϕ (ω ) = −ωt ) . Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой, а фазы – фазочастотной характеристикой. Модуль коэффициента передачи последовательного колебательного контура определяется по формулам: K L (ω ) = U L U вх = X L I / Z (ω )I = X L Z (ω ) = ωL Z (ω ) ;

K C (ω ) = U C U вх = X C I / Z (ω )I = X C Z (ω ) = 1 ωCZ (ω ) .

При резонансе модуль коэффициента передачи равен: K L0 = X L0 R = Q ; K C0 = X C 0 R = Q Для равномерной передачи всех составляющих спектра сигнала АЧХ последовательного колебательного контура должна иметь форму близкую к прямоугольной, т.е. модуль коэффициента передачи в полосе, равной ширине спектра полезного сигнала, должен оставаться постоянным (K (ω ) = const ) , а вне этой полосы – обращаться в нуль. В этом случае полезный сигнал будет передаваться без искажений, а частоты, лежащие вне спектра сигнала, то есть помехи, будут полностью подавляться. Но т.к. АЧХ неравномерна, то ввели понятие о полосе пропускания контура. Полоса пропускания контура – это область частот, в которой ток I отличается от резонансного тока I 0 не более чем на 30% (0,707). Полоса пропускания определяется по формуле: П = 2Δf = f 0 Q , откуда f 0 = ПQ . Практически принято допускать ослабление крайних боковых составляющих радиосигнала по мощности в 2 раза или, что тоже по напряжению в 2 раз. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Работа выполняется на лабораторной установке, в состав которой входят низкочастотный генератор испытательных сигналов 12

Г3-120, осциллограф С1-112 и макет исследуемого устройства. Исследование последовательного колебательного контура выполняется на макете №1, схема которого приведена на рис.1.10. L

C

e(t) R

K1

Г3-120 Рис. 1.10 Частота резонанса контура находится в диапазоне 5-10 КГц. С помощью переключателя К1 можно изменять активное сопротивление контура, которое учитывает сопротивление проводов, соединяющих элементы контура, а также сопротивления проводов катушки индуктивности, рамки миллиамперметра, добавочного сопротивления резистора R, выходное сопротивление генератора испытательных сигналов и сопротивления, вносимые в контур со стороны измерительных приборов. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Включить питание измерительных приборов, входящих в состав лабораторной установки и дать приборам прогреться в течение 5 минут. Проверить работоспособность приборов согласно лабораторной работе №1. 2. Собрать лабораторную установку для исследования последовательного колебательного контура согласно структурной схеме, представленной на рис. 1.11.

Г3-120

Uвх

последовательный контур

Рис. 1.11.

13

Uвых

С1-112А

3. Проверить работоспособность лабораторной установки. Для этого нужно, плавно изменяя частоту низкочастотного генератора Г3-120 в диапазоне 5-10 КГц, проследить изменение амплитуды сигнала на выходе контура с помощью осциллографа С1112. 4. Переключить переключатель К1 в положение, соответствующее включению в контур резистора R. 5. Произвести измерения, необходимые для дальнейших расчетов и построения графиков. Для этого нужно, изменяя частоту в диапазоне 5-10 КГц ( рекомендуемые частоты для измерений: 3; 3,5; 4; 4,5; 5; f р ; 6; 6,5; 7; 8; 9 КГц), измерить: ток в контуре I k с помощью миллиамперметра, включенного в цепь контура; напряжение входного сигнала ( низкочастотного генератора Г3-120) U Г с помощью осциллографа, подключенного к входу контура; напряжения на элементах контура ( конденсаторе С, катушке индуктивности L и активном сопротивлении R ) соответственно U C , U L , U R с помощью осциллографа. Результаты измерений занести в таблицу 4.1. Выполнить расчеты следующих величин: I k I k max ; U C U C max ; U L U L max ; U R U R max и занести их в расчетную часть таблицы 1.1. ВНИМАНИЕ! При измерениях следите, чтобы стрелки контрольных приборов не «зашкаливали», то есть не доходили до ограничителей, установленных на краях шкалы. Таблица 1.1. № 1 2 3 4 5 6

Измеренная величина f Ik UГ UC UL UR

Еденица величины КГц мА В В В В

14

№ 1 2 3 4

Измеренная величина IK/IKmax UC/UCmax UL/ULmax UR/URmax

Результаты расчетов Еденица величины

6. Зарисовать осциллограммы напряжений при резонансной частоте на конденсаторе С, катушке индуктивности L и выходе низкочастотного генератора Г3-120, подключенного к контуру. По полученным графикам сделать письменные выводы. 7. Пользуясь результатами измерений и расчетов, построить резонансные кривые тока и резонансные кривые напряжений на конденсаторе, катушке индуктивности и активном сопротивлении в абсолютном и относительном масштабах. По полученным резонансным кривым сделать письменные выводы. 8. Пользуясь результатами измерений и построенными резонансными кривыми, определить полное входное сопротивление контура на резонансной частоте, характеристическое сопротивление контура, емкость конденсатора (C ) , индуктивность катушки

(L ) , добротность контура (Q ) , коэффициент передачи контура на резонансной частоте, полосу пропускания контура на уровне 0,7. Результаты расчетов пояснить. 9. Переключить переключатель К1 в положение, соответствующее исключению из контура резистора R . Выполнить программу пунктов 5, 6, 7 и 8. По полученным результатам сделать письменные выводы. 10. Подключить на вход контура сигнал прямоугольной формы. Настроить генератор на частоту резонанса контура. Выполнить программу пункта 6 при включенном и выключенном резисторе R. По полученным результатам сделать письменные выводы. 11. При подключенном к контуру генераторе прямоугольных импульсов, плавно изменяя частоту генератора в диапазоне 120кГц, наблюдать на экране осциллографа форму и амплитуду ко15

лебаний на конденсаторе контура. По результатам наблюдений сделать письменные выводы о прохождении сложных сигналов через последовательный колебательный контур. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какое явление в к. к. называют резонансом? 2. По каким признакам можно определить резонанс в последовательном к. к.? 3. Почему резонанс в последовательном к. к. называют резонансом напряжений? 4. Как зависит резонансная частота последовательного к. к. от параметров контура? 5. Что такое характеристическое сопротивление контура и как оно зависит от параметров контура? 6. Что такое эквивалентное сопротивление контура и как оно зависит от параметров контура? 7. Как можно повысить добротность контура? Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомление с работой параллельного колебательного контура, исследование прохождения различных радиосигналов через параллельный колебательный контур, приобретение практических навыков измерения и расчета основных параметров параллельного колебательного контура, построение характеристик параллельного колебательного контура. ОБОРУДОВАНИЕ 1. 2. -

Макет с параллельным колебательным контуром Измерительные приборы: осциллограф С1-112 генератор низкочастотный Г3-120 16

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ Параллельное соединение катушки индуктивности и конденсатора с источником питания называют идеальным параллельным колебательным контуром (рис. 2.1).

e(t) L

Рис. 2.1. В реальном контуре существуют потери энергии, которые обусловлены потерями в активном сопротивлении проводов, соединяющих элементы контура, в активном сопротивлении катушки индуктивности, потерями в диэлектрике конденсатора и т.д. Все эти потери учитываются одним активным сопротивлением R, и схема контура приобретает вид (рис. 2.2). e(t) L

R

Rг

Рис. 2.2. Рассмотрим основные характеристики параллельного колебательного контура: Комплексное полное входное сопротивление параллельного колебательного контура определяется выражением:

17

Ζ( jω ) = (Z L ( jω )Z C ( jω ) ((Z L ( jω )) + Z C ( jω ))) , Z ( jω ) = ((R + jωL )(R + 1 jωC )) / ((RL + jωL ) + (RC + 1 jωC )) . Преобразуем формулу для комплексного входного сопротивления Z ( jω ) и получим:

Z ( jω ) = (L C ) (R + jX ) = ρ 2 (R + jX ) , где ρ = L C - характеристическое сопротивление контура;

R = RL + RC - активное сопротивление; X = ωL − 1 ωC - реактивное сопротивление. Рассмотрим явление резонанса в параллельном колебательном контуре. Резонанс в параллельном колебательном контуре визуально можно зафиксировать по следующим признакам: - минимальному значению тока в общей ветви контура: I 0 = U вх Z 0 ( jω ) = U вх ρ 2 R . - равенству токов в ветвях с реактивными элементами:

(

)

I L0 = I C0 = U 0 ρ = I 0 ρ R

- совпадение фаз тока и напряжения. Условие резонанса – реактивное сопротивление контура равно нулю: X 0 = X L0 − X C0 = ω 0 L − 1 ω 0 C = 0 , т.е. X L0 = X C0 или ω 0 L = 1 ω 0 C Отсюда найдем частоту, при которой наступает резонанс:

ω = ω0 = 1

LC

- резонансная циклическая частота колебаний. Выразим из резонансной циклической частоты ω 0 свободную частоту колебаний f 0 . Т.к. f 0 = ω 0 2π - резонансная частота, то

(

)

получим: f = f 0 = 1 2π LC Период на частоте резонанса равен: 18

T0 = 1 f 0 = 2π LC . Т.к. при резонансе I m (Z ( jω )) = jωL − 1 jωC = 0 , то полное комплексное сопротивление в режиме резонанса равно:

Z 0 ( jω ) = Z 0 = ρ 2 R = ρQ . При резонансе реактивные сопротивления равны между собой:

X L0 = X C0 = ω 0 L = 1 ω 0 C = L C = ρ , где ρ - характеристическое сопротивление контура. Т.к. при резонансе I L0 = I C0 , то режим резонанса в параллельном контуре называют резонансом (совпадением) токов. Отношение действующих значений токов ветвей с реактивными элементами I L0 или I C0 при резонансе к току в общей ветви называется добротностью контура:

Q = I L0 I 0 = I C0 I 0 = ρ R . Рассмотрим характеристики параллельного колебательного контура. Параллельный колебательный контур характеризуется резонансными кривыми тока. Ζ(ω) 1) Резонансная кривая тока в контуре имеет вид (рис. 2.3). Ток на элементах, изображенный характеристикой, определяется по формулам:

RI02

I L = U Z L (ω ) = U (RL + (ωL ));

I C = U Z C (ω ) = U (RC + 1 (ωC )); 19

ω0

Рис. 2.3.

ω

I = U Z (ω ) .

2) График, выражающий зависимость модуля Z (ω ) входного комплексного сопротивления контура от частоты ω имеет вид (рис. 2.4). Ζ(ω)

R

ω0

ω

Рис. 2.4. Рассмотрим способы получения резонанса в параллельном колебательном контуре. Получить режим резонанса в параллельном колебательном контуре можно тремя способами: - изменением частоты ω источника сигнала; - регулированием индуктивности L катушки; - регулированием емкости C конденсатора. Практически чаще всего, режима резонанса добиваются с помощью регулирования емкости конденсатора. Прохождение радиосигнала через частотно-избирательные линейные цепи оценивают комплексным коэффициентом передачи по напряжению. Коэффициент передачи определяется по формуле: K ( jω ) = U ( jω )вых / U ( jω )вх = K (ω )e jϕ (ω ) . Модуль коэффициента передачи K (ω ) определяет отношение действительных амплитуд выходного и входного напряжений, а аргумент ϕ (ω ) - изменение начальной фазы выходного напряжения по сравнению с входным. В идеальном случае при прохожде20

нии сигнала через частотно-избирательные линейные цепи все спектральные составляющие этого сигнала должны изменяться по амплитуде в одинаковое число раз К и испытывать одинаковое запаздывание t во времени, при котором соотношение фаз спектральных составляющих останется неизменным. Следовательно, для неискаженной передачи сигнала комплексный коэффициент передачи частотно-избирательной линейной цепи должен иметь вид: K ( jω ) = Ke ϕ (ω ) , т.е. модуль коэффициента передачи должен быть одинаковым всех передаваемых составляющих сигнала (K (ω ) = K = const ) , а аргумент должен представлять собой ли-

для

нейную функцию частоты (ϕ (ω ) = −ωt ) . Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты называют амплитудночастотной характеристикой, а фазы – фазо-частотной характеристикой. Комплексный коэффициент передачи параллельного колебательного контура определяется по формуле:

K ( jω ) = U ( jω )mввы U ( jω )mвв = Z ( jω ) / (Z ( jω ) + RГ ) . При резонансе коэффициент передачи равен:

K 0 = Z 0 (Z 0 + RГ ) . Для равномерной передачи всех составляющих спектра сигнала АЧХ последовательного колебательного контура должна иметь форму близкую к прямоугольной, т.е. модуль коэффициента передачи в полосе, равной ширине спектра полезного сигнала, должен оставаться постоянным (K (ω ) = const ) , а вне этой полосы – обращаться в нуль. В этом случае полезный сигнал будет передаваться без искажений, а частоты, лежащие вне спектра сигнала, то есть помехи, будут полностью подавляться. Но т.к. АЧХ неравномерна, то ввели понятие о полосе пропускания контура.

21

Полоса пропускания контура – это полоса частот, на границах которой коэффициент передачи K отличается от коэффициента передачи при резонансе К 0 на определенную заранее оговоренную величину. Отличие K от К 0 определяет допустимые частотные искажения сигнала и зависит от конкретной системы связи. Обычно на границе рабочей полосы частот коэффициент передачи принято ослаблять не более, чем в 2 раз (0,707). Полоса пропускания параллельного колебательного контура определяется по формуле:

П = 2Δf = ( f 0 Q )(1 + (Z 0 RГ )) . ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Работа выполняется на лабораторной установке, в состав которой входят: - низкочастотный генератор испытательных сигналов Г3120; - осциллограф С1-112; - макет исследуемого устройства. Исследование параллельного колебательного контура выполняется на макете №2, схема которого приведена на рис. 2.5. PA1

PA3

PA2 mA

mA

K1

Г3-120

Рис. 2.5.

22

K2

mA

Частота резонанса контура находится в диапазоне 5-10 кГц. С помощью переключателя К1 можно изменять активное сопротивление контура, вносимое в контур со стороны генератора испытательных сигналов ( в первом положении – R=51 Ом, во втором R=2,2 кОм, в третьем - R=15 кОм). С помощью переключателя К2 можно подключить миллиамперметры РА2 и РА3 для измерения тока в ветвях контура или отключить их, уменьшив потери, вносимые в ветви контура со стороны измерительных приборов. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Включить питание измерительных приборов, входящих в состав лабораторной установки и дать приборам прогреться в течение 5 минут. Проверить работоспособность приборов согласно лабораторной работе №1. 2. Собрать лабораторную установку для исследования параллельного колебательного контура согласно структурной схеме, представленной на рис. 2.6. Г3-120

Uвх

параллельный контур

Uвых

С1-112А

Рис. 2.6. 3. Проверить работоспособность лабораторной установки. Для этого нужно, плавно изменяя частоту низкочастотного генератора Г3-120 в диапазоне 5-20 кГц, проследить изменение тока в общей ветви контура и ветвях с реактивными элементами с помощью миллиамперметров, включенных в эти ветви. 4. Переключить переключатель К1 в крайнее левое положение, соответствующее включению в контур резистора R=51 Ом, а К2 – в положение, соответствующее подключению в схему миллиамперметров РА2 и РА3. 5. Произвести измерения, необходимые для дальнейших расчетов и построения графиков. Для этого нужно, изменяя частоту в диапазоне 5-20 кГц ( рекомендуемые частоты для измерений: 6; 7; 8; 9; 10; 11; f р : 13; 14; 15; 16; 18 кГц), измерить:

23

- ток в контуре I k с помощью миллиамперметра; - токи в ветвях с реактивными элементами I L и I C с помощью миллиамперметров РА2 и РА3; напряжение входного сигнала U Г (низкочастотного генератора Г3-120) с помощью осциллографа, подключенного к входу контура; - напряжения на элементах контура ( конденсаторе С, катушке индуктивности L и активном сопротивлении R ) соответственно U C , U L , U R с помощью осциллографа. Результаты измерений занести в таблицу 2.1. Выполнить расчеты следующих величин: I k I k max ; I C I C max ; I I max ;

U K U K max и занести их в расчетную часть таблицы 2.1. ВНИМАНИЕ! Во избежании выхода из строя миллиамперметров при измерениях следите, чтобы стрелки контрольных приборов не «зашкаливали», то есть не доходили до ограничителей, установленных на краях шкалы Таблица 2.1. № 1 2 3 4 5 6

Измеренная величина f Iоб UГ UК IL IC

№ Измеренная величина 1 Iоб/Iобmax 2 IC/ICmax 3 IL/ILmax 4 UK/UKmax

Еденица величины КГц мА В В мА мА Результаты расчетов Еденица величины

6. Зарисовать осциллограммы напряжений при резонансной частоте на конденсаторе С, катушке индуктивности L и выходе 24

низкочастотного генератора Г3-120, подключенного к контуру. По полученным графикам сделать письменные выводы. 7. Пользуясь результатами измерений и расчетов, построить резонансные кривые токов в общей ветви и ветвях с реактивными элементами и резонансную кривую напряжения на элементах контура в относительном масштабе. По полученным резонансным кривым сделать письменные выводы. 8. Пользуясь результатами измерений и построенными резонансными кривыми, определить: - емкость конденсатора (C ) и индуктивность катушки (L ) ;

- добротность контура (Q ) ; - коэффициент передачи контура на резонансной частоте; - полосу пропускания контура на уровне 0,7; - характеристическое сопротивление контура; - входное полное сопротивление контура на резонансной частоте; Результаты расчетов пояснить. 9. Переключить переключатель К1 в крайнее правое положение, соответствующее включению в схему резистор R =15 кОм. 10. Произвести измерения, необходимые для дальнейших расчетов и построения графика. Для этого нужно, изменяя частоту в диапазоне 5-20 кГц ( рекомендуемые частоты для измерений: 6; 7; 8; 9; 10; 11; f р : 13; 14; 15; 16; 18 кГц), измерить:

- напряжение входного сигнала U Г ( низкочастотного генератора Г3-120) с помощью осциллографа, подключенного к выходу генератора; - напряжение U K на элементах контура с помощью осциллографа. Результаты измерений занести в таблицу 2.2. Выполнить расчет величины U K U K max и занести в расчетную часть таблицы 2.2. 12. Пользуясь результатами измерений и расчетов, построить резонансную кривую напряжения на элементах контура в относительном масштабе на одном графике с предыдущей аналогичной резонансной кривой. Сравнить полученные резонансные кривые напряжений и сделать письменные выводы о влиянии сопротив25

ления генератора на избирательные свойства параллельного контура. 13. Вместо генератора синусоидального сигнала подключить на вход контура генератор прямоугольных импульсов. Настроить генератор на частоту резонанса контура. Выполнить программу пункта 6 при двух положениях переключателя К1 ( крайнем левом и крайнем правом). По полученным результатам сделать письменные выводы, используя при этом знания избирательных свойств контура и знания спектрального состава сигнала. 14. При подключенном к контуру через сопротивление R=15 кОм генераторе прямоугольных импульсов, плавно изменяя частоту генератора в диапазоне 1-20 кГц, наблюдать на экране осциллографа форму и амплитуду колебаний на элементах контура. По результатам наблюдений сделать письменные выводы о прохождении сложных сигналов через параллельный колебательный контур. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какая цепь называется параллельным колебательным контуром? 2. Какое явление в колебательном контуре называется резонансом? 3. Какими способами можно получить режим резонанса в параллельном колебательном контуре? 4. По каким признакам можно определить резонанс в параллельном колебательном контуре? 5. Почему резонанс в параллельном колебательном контуре называют резонансом токов? 6. Как определяется резонансная частота параллельного колебательного контура? 7. Как определяется полоса пропускания параллельного колебательного контура и от чего она зависит? 8. Как можно определить добротность параллельного колебательного контура? Как можно повысить добротность контура? 9. Что называется характеристическим сопротивлением контура и как оно зависит от параметров контура?

26

Лабораторная работа №3 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗАННЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомление с работой системы связанных колебательных контуров, исследование прохождения различных радиосигналов через связанные колебательные контура, приобретение практических навыков измерения и расчета основных параметров связанных колебательных контуров, построение характеристик связанных колебательных контуров. ОБОРУДОВАНИЕ 1. 2. -

Макет с системой связанных колебательных контуров Измерительные приборы: осциллограф С1-112 генератор низкочастотный Г3-120 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

Наряду с одиночными контурами в радиотехнических устройствах применяются связанные контуры. Они позволяют получить более равномерную частотную характеристику в пределах полосы пропускания и большее ослабление за ее пределами. Отсюда следует, что частотно-избирательные цепи, содержащие связанные контуры, обеспечивают передачу сигнала с более низким коэффициентом частотных искажений и более высокую частотную избирательность. Два контура называются связанными, если какие-либо элементы являются общими для обоих контуров. В этом случае изменения электрического состояния в одном из них называют соответствующие изменения в другом. Связанные контуры можно классифицировать по виду связи. Применяются следующие виды связи между контурами: индуктивная трансформаторная и автотрансформаторная, емкостная внутренняя и внешняя, активная и комбинированная. Варианты 27

схем связанных контуров с различными видами связи приведены на рис. 3.1. C2

C1

L4

L3

E

E L1

L1

L2

R1

R2

R1

C2

L2

L1 E

C1

L1

C1 R1

C3

R2

L2

E

C3

C1

L2

C2

R2

R1

C2 R2

Рис. 3.1. Степень взаимодействия двух контуров количественно оценивается коэффициентом связи К:

K = K1K 2 ,

где К1- коэффициент трансформации напряжения из первого контура во второй; К2- коэффициент трансформации напряжения из второго контура в первый. Существует формула для определения коэффициента связи через сопротивления контуров, которая справедлива для большего числа встречающихся на практике схем. K = X C

X 1 X 2 , где

X C - сопротивление связи; X `1 и X 2 - сопротивления первого и второго контуров, одноименные с сопротивлением связи. Связанные колебательные контуры можно представить обобщенной схемой, как показано на рис. 3.2.

28

Z1

Z2

e(t) Zcв

Рис. 3.2. При установившихся колебаниях в первом и во втором контурах, согласно второму закону Кирхгофа, можно написать уравнения: E = I1Z1 + I 2 Z C ; 0 = I 2 Z 2 + I1Z C , где Е – ЭДС генератора, включенного в первом контуре; I1 , I 2 - токи в первом и втором контурах;

Z1 , Z 2 - полные комплексные сопротивления первого и второго контуров, определяемые из равенств: Z1 = R1 + jX 1 = R1 + j (ωL1 − 1 ωC1 ) Z 2 = R2 + jX 2 = R2 + j (ωL2 − 1 ωC2 ) где L1 , L2 , C1 , C2 - полные индуктивности и емкости первого и

второго контуров; Z = R + jX - полное комплексное сопротивление элементов связи. Решим указанные уравнения относительно тока I1 и получим:

I1 = E (Z1 + (X C2 Z 2 )) = E Z1oe , где Z1oe - комплексное экви-

валентное сопротивление первого контура. Вследствие влияния второго контура на первый, полное сопротивление первого контура возрастает на величину X C2 Z 2 , которая называется вносимым (в первый контур) сопротивлением. Преобразуем выражение для Z1oe , представив его в виде комплексного выражения, состоящего из действительной и мнимой частей.

29

(

) (

(

)) (

(

))

Z1oe = Z1 + X C2 Z 2 = R1 + X C2 R2 Z 22 + j X 1 − X C2 X 2 Z 22 = R1oe + jX 1oe

где:

( + (X

) )X

R1oe = R1 + X C2 Z 22 R2 = R1 + ΔR ; X 1oe = X 1

2 C

Z

2 2

2

= X 1 + ΔX .

ΔR - активное сопротивление, вносимое вторым контуром в первый;

ΔX - реактивное сопротивление, вносимое вторым контуром в первый. Согласно выражению для Z1oe , два связанных контура можно заменить одним эквивалентным контуром, представляющим собой, как показано на рис. 3.3. R1 /\R последовательное соединение сопротивлений активного e(t) R1oe R1oe и реактивного X 1oe . X1

X1oe

Т.к. система из двух связанных контуров с точки зре/\X ния электрических процессов, протекающих в первом контуре, приведена к эквивалентному одиночному контуру, то Рис. 3.3. определение электрических параметров первого контура можно производить методом анализа работы последовательного одиночного контура (см. лабораторную работу №1), изображенного на рис. 3.3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Работа выполняется на лабораторной установке, в состав которой входят: - низкочастотный генератор испытательных сигналов Г3120; - осциллограф С1-112; - макет исследуемого устройства.

30

Исследование системы связанных колебательных контуров выполняется на макете №3, схема которого приведена на рис. 3.4. Uсв Cсв1

K1

Cсв2

Ri C1

L1

L2

C2

Г3-120

U2 U1

Рис. 3.4. Связанные контуры, изображенные на рис. 6.4., являются системой контуров с внешней емкостной связью. Частота резонанса контуров находится в диапазоне 1-15 кГц. С помощью переключателя К1 можно поочередно подключать генератор к первому или второму контуру. С помощью переключателя К2 можно изменять величину емкости связи, тем самым изменяя характер связи. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Включить питание измерительных приборов, входящих в состав лабораторной установки и дать приборам прогреться в течение 5 минут. Проверить работоспособность приборов согласно лабораторной работе №1. 2. Собрать лабораторную установку для исследования связанных колебательных контуров согласно структурной схеме, представленной на рис. 3.5.

Г3-120

Uвх

связанный контур

Рис. 3.5. 31

Uвых

С1-112А

3. Проверить работоспособность лабораторной установки. Для этого нужно, плавно изменяя частоту низкочастотного генератора Г3-120 в диапазоне 1-15 кГц, проследить изменение амплитуды сигнала на выходе системы связанных колебательных контуров с помощью осциллографа С1-112. 4. Убрать перемычку, связывающую контуры. Подключая генератор поочередно к первому и второму контуру с помощью переключателя К1, убедиться, что контуры настроены на одну и ту же частоту, записать резонансные частоты контуров. Установить перемычку и перевести переключатель К1 в нижнее положение. 5. Произвести измерения, необходимые для дальнейших расчетов и построения графиков. Для этого нужно, изменяя частоту в диапазоне 5-20 кГц (рекомендуемые частоты для измерений: 6; 7; 8; 9; 10; 11; f р : 13; 14; 15; 16; 18 кГц), измерить: - напряжение входного сигнала U Г (низкочастотного генератора Г3-120) с помощью осциллографа, подключенного к входу контура; - напряжения на элементе связи U св с помощью осциллографа; - напряжения на выходах контуров соответственно U1 , U 2 . Результаты измерений занести в таблицу 6.1. Выполнить расчеты следующих величин: U1 U1 max ; U 2 U 2 max ;

U св U св max и занести их в расчетную часть таблицы 3.1. ВНИМАНИЕ! При измерениях следите, чтобы стрелки контрольных приборов не «зашкаливали», то есть не доходили до ограничителей, установленных на краях шкалы. Таблица 3.1. № 1 2 3 4 5

Измеренная величина f UГ UCВ U1 U2

Еденица величины КГц В В В В

32

№ 1 2 3

Измеренная величина U1/U1max U2/ULmax UСВ/UСВmax

Результаты расчетов Еденица величины

6. Зарисовать осциллограммы напряжений при резонансной частоте на контурах и выходе низкочастотного генератора Г3-120, подключенного к контуру. По полученным графикам сделать письменные выводы. 7. Пользуясь результатами измерений и расчетов, построить резонансные кривые напряжений на контурах в абсолютном и относительном масштабе. По полученным резонансным кривым сделать письменные выводы. 8. Пользуясь результатами измерений и построенными резонансными кривыми, определить: - полное входное сопротивление связанных контуров на резонансной частоте; - добротность контуров Q ; - коэффициент передачи связанных контуров на резонансной частоте; - полосу пропускания связанных контуров на уровне 0,7; - коэффициент прямоугольности резонансной кривой на уровне 0,1. Результаты расчетов пояснить. 9. Перевести штеккер в гнездо, соответствующее установлению более сильной связи между контурами. Выполнить программу пунктов 5, 6, 7 и 8. По полученным результатам сделать письменные выводы. 10. Вместо генератора синусоидального напряжения подключить на вход контуров генератор прямоугольных импульсов. Настроить генератор на частоту резонанса контуров. Выполнить программу пункта 6 при сильной и слабой связи между контурами. 11. Перевести переключатель К1 в верхнее положение и замерить резонансный коэффициент передачи и полосу пропускания связанных контуров при перемене местами первого и 33

второго контуров. Сравнить результаты с пунктом 5. Сделать письменные выводы по результатам исследований. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какое явление в колебательном контуре называют резнансом? 2. По каким признакам можно определить резонанс в связанных контурах? 3. Как определяется полоса пропускания системы связанных контуров? 4. Что характеризует и как определяется коэффициент связи связанных контуров? 5. Как влияет коэффициент связи связанных контуров на полосу пропускания? 6. Как влияет коэффициент связи связанных контуров на резонансный коэффициент передачи? 7. Как можно повысить добротность связанных контуров? Лабораторная работа №4 ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомление с работой избирательных цепей при воздействии на них импульсных сигналов различной частоты и длительности, приобретение навыков экспериментального определения параметров импульсной последовательности на входе избирательной цепи для реализации умножителя частоты с заданным коэффициентом умножения. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Работа выполняется на универсальном лабораторном стенде К32, дополненном следующими контрольно-измерительными приборами: 34

-

осциллографом-мултиметром С1-112А; генератором импульсов Г5-63; низкочастотным генератором сигналов Г3-120; цифровым частотометром-генератором БИС. ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ Г5-63

Генератор является универсальным измерительным прибором, формирующий на своем выходе одиночные импульсы при ручном или внешнем запуске и периодическую последовательность импульсов при внутреннем запуске со следующими параметрами: - период повторения T = 10 мкс – 1 с ( f = 100 кГц – 1 Гц); - длительность импцльса t = 0,1 мкс – 10 мс; - амплитуда U = 0 – 60 В. Указанные диапазоны перекрываются с помощью дискретных переключателей поддиапазонов и плавных ручек настройки. Установка необходимой амплитуды выполняется с помощью дискретного переключателя поддиапазона и полярности, ручки плавной установки амплитуды и ступенчатого аттенюатора на трех тумблерах. Кассета с дополнительным радиотехническим устройством устанавливается на передней панели стенда К32. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 4.1. +15 4

U0

Uг

Рис. 4.1.

35

Устройство представляет собой согласующий усилитель с узкополосным фильтром в нагрузке. Импульсный сигнал подается на “Вход 1“ стенда. Как известно (см. отчет к лаб. раб. по исследованию спектров сигналов), спектр импульсной последовательности имеет вид, представленный на рис. 4.2. U

U

τι

Ti

1/Ti

t

а) временная диаграмма импульсного сигнала

1/τι

t

б) спектральная диаграмма импульсного сигнала Рис. 4.2.

Попадание составляющих спектра сигнала в полосу пропускания фильтра, настроенного на частоту f ф , приводит к появлению на выходе устройства переменного напряжения, амплитуда которого пропорциональна амплитуде спектральной составляющей. Изменяя частоту импульсной последовательности, можно создавать условия для прохождения через фильтр разных по номеру гармоник входного сигнала. Исследования проводятся по структурной схеме, приведенной на рис. 4.3.

Г3-120

Вх.1

Вых

Част.

К32 Г5-63 Д.У. "4" Рис. 4.3.

36

С1-112А

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Подготовить к работе измерительные приборы, указанные в описании лабораторной установки и лабораторный стенд К32 с дополнительным устройством, предназначенным для анализа спектров сигналов. Для этого нужно: - включить приборы и дать им прогреться в течении 5 минут; - проверить работоспособность приборов, входящих в лабораторную установку; - произвести калибровку измерительных приборов согласно лабораторной работе №1; - подать питание на дополнительное устройство с источника питания “+15В ” стенда К32. 2. Определить частоту настройки узкополосного фильтра, находящегося на плате дополнительного устройства. Для этого следует (см. структурную схему рис. 4.4.): Г3-120

Вх.1

Вых

Част.

К32 Д.У. "4"

С1-112А

Рис. 4.4. - подключить осциллограф к выходу дополнительного устройства; - плавно изменяя частоту низкочастотного генератора Г3120 в диапазоне 1 кГц – 15 кГц, добиться максимального уровня сигнала на выходе дополнительного устройства. Зафиксировать максимум сигнала с помощью осциллографа; - измерить частоту генератора Г3-120 при настройке на максимальный сигнал контура с помощью частотометра БИС, подключенного к выходу “U~” стенда К32, произведя его коммутацию с выходом генератора; - результат измерения частоты настройки узкополосного контура fФ записать и использовать в последующих опытах при 37

определении частоты гармоник исследуемого импульсного сигнала. ( Значение fФ на всех лабораторных установках разное). 3. Исследование спектра импульсного сигнала и работы избирательных цепей при воздействии на них импульсных сигналов различной частоты и длительности (см. структурную схему рис. 4.5.): Г5-63

Вх.1

Вых

Част.

К32 Д.У. "4"

С1-112А

Рис. 4.5. Для этого следует: - подключить к “Входу 1” стенда К32 генератор импульсов Г5-63; - установить на его выходе амплитуду 20 В; - установить период повторения импульсов равный T = 1 fФ , длительность импульса τ = T 10 , ручку управления временным сдвигом поставить в крайнее левое положение; - подключить осциллограф к выходу фильтра дополнительного устройства (гнездо “4”) и контролировать им наличие, амплитуду и форму сигнала на выходе; - плавно изменяя частоту повторения импульсов входного сигнала в диапазоне 5 fФ − 0,1 fФ с помощью ручки “Период повторения” генератора импульсов, фиксировать по осциллографу появление колебаний на выходе дополнительного устройства с помощью осциллографа и измерять с помощью частотометра частоты входного и выходного сигналов. Результаты измерений занести в таблицу 1: Таблица 4.1. fвх, Гц fвых, Гц Uвых, В

38

- Построить график зависимости амплитуды колебаний на выходе дополнительного устройства от частоты повторения импульсов входного сигнала (в виде спектральной диаграммы). - Сделать письменные выводы по полученным результатам. 4. Исследование влияния длительности импульсов на амплитуду колебаний на выходе фильтра. Для этого следует: - выставить на генераторе Г5-63 резонансную частоту контура fФ , что будет соответствовать максимальной амплитуде на выходе узкополосного контура дополнительного устройства; - плавно изменяя длительность импульса в диапазоне от 0,1Т до 0,6Т, где T = 1 fФ снять необходимые результаты и занести их в таблицу 2: Таблица 4.2. tn, Гц fвых, Гц Uвых, В

5. Выполнить программу пункта 4 для частот входного сигнала в 2 и 3 раза меньших частоты настройки фильтра fФ . 6. Настроить генератор Г5-63 на частоту резонанса фильтра fФ , что будет соответствовать максимальной амплитуде на выходе фильтра. Изменяя длительность импульсов в пределах от 0,1Т до 0,6Т, добиться максимальной амплитуды выходных колебаний. Изменяя частоту входного сигнала в пределах от 5 fФ - 0,1 fФ , снять зависимость частоты колебаний на выходе фильтра от частоты входного сигнала. Результаты измерений занести в таблицу 3. Построить график, выражающий зависимость f вых от f вх . Сделать письменные выводы по полученным результатам. Таблица 4.3. fвх, Гц fвых, Гц

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что представляет собой спектр радиотехнического сигнала?

39

2. Изобразите спектральную амплитудную диаграмму гармонического колебания. 3. Изобразите спектральную амплитудную диаграмму периодической последовательности прямоугольных импульсов. 4. Изобразите спектральную амплитудную диаграмму периодической последовательности коротких прямоугольных импульсов. 5. Какова связь между длительностью импульса и шириной его спектра? 6. Поясните принцип умножения частоты в радиотехнических устройствах. 7. Как можно умножить частоту синусоидальных колебаний? 8. Поясните выбор параметров импульсов для получения заданного умножения частоты. Лабораторная работа №5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМЫ И СПЕКТРА СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследование изменений формы немодулированных и АМ – сигналов в цепях с нелинейными элементами (полупроводниковыми диодами, приобретение навыков экспериментального определения амплитуды входных колебаний для получения заданных преобразований формы сигналов в нелинейных цепях, сопоставление изменений формы с изменениями спектрального состава радиотехнических сигналов различной формы ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Работа выполняется на лабораторной установке, в состав которой входят: - низкочастотный генератор испытательных сигналов Г3120; - осциллограф С1-112; 40

- генератор стандартных сигналов Г4-18А; - милливольтметр В3-38 В. Кассета с дополнительным радиотехническим устройством, содержащим нелинейные цепи, устанавливается на передней панели стенда К32. Принципиальная схема устройства приведена на рис.5.1. Устройство представляет собой три делителя напряжения: - на линейных элементах (резисторах), включенных между “Вх.1“ стенда и гнездом “1“ кассеты; - с последовательными резисторами и двумя параллельными диодами, включенными между “Вх.1” стенда и гнездо “2“ кассеты; - с последовательным диодом и тремя резисторами, включенными между “Вх.1” стенда и гнездом “3 “ кассеты.

Рис. 5.1. Исследования проводятся по структурной схеме, приведенной на рис.4.2.

41

Г3-120

С1-112А

Вх.1

К32 Г4-18

Вх.2

Рис. 5.2. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Собрать установку для исследований в соответствии со схемой, представленной на рис.5.2. Проверить работоспособность входящих в установку приборов, провести их калибровку. Установить частоту колебаний на выходе генератора Г3-120 равной 5-10 кГц и амплитуду 5 В. Подключить осциллограф С1-112 к гнезду “1“ кассеты. Зарисовать осциллограммы напряжений на входе дополнительного устройства и на гнезде “1“. Изменяя амплитуду колебаний от 5 до 0,1 В, зарисовать не менее 5 на гнезде “1“. 2. Выполнить программу пункта 1, подключив осциллограф к гнезду “2“ кассеты. Дать письменное объяснение отличия осциллограмм на гнездах “1“ и “2“. Воспользовавшись результатами лабораторной работы №2 “Исследование спектров периодических колебаний“, сопоставить изменения формы сигнала с изменениями его спектра. Результаты записать в отчет. 3. Выполнить программу пункта 1, подключив осциллограф к гнезду “3“ кассеты. Дать письменное объяснение отличия осциллограмм на гнездах “1“ и “3“. 4. Подключить на “Вх.1“ стенда генератор Г4-18А. Установить на его выходе АМ-колебания частотой 100-150 кГц амплитудой 1 В с глубиной модуляции М=30%. Зарисовать осциллограммы напряжения на входе блока, а также на выходе “1“ и “2“. Пояснить изменения формы АМ-сигнала в нелинейной цепи. Сопоставить полученные осциллограммы со спектрами колебаний, полученных в лабораторной работе №3 “Исследование спектров модулированных колебаний“. Записать в отчет полученные результаты. 42

5. Повторить программу пункта 4 для амплитуды сигнала генератора Г4-18А: 0,7; 0,5; 0,3 и 0,1 В. Дать письменное объяснение изменению осциллограмм на выходе “2“. 6. Обратить внимание на то, что нелинейная цепь может, как обогащать, так и обеднять спектр колебаний. Продумать примеры использования исследованных цепей в радиотехнике. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что представляет собой спектр радиотехнического сигнала? 2. Как можно определить спектр сигнала? 3. Изменяется ли спектральный состав радиотехнического сигнала в линейной цепи? 4. Изменяется ли спектральный состав радиотехнического сигнала в нелинейной цепи? 5. Какие радиотехнические цепи называют нелинейными? Приведите примеры нелинейных цепей. 6. Изобразите спектральную амплитудную диаграмму гармонического колебания. 7. Изобразите спектральную амплитудную диаграмму периодической последовательности прямоугольных импульсов “ меандр”. 8. Изобразите спектральную амплитудную диаграмму АМсигнала. 9. Изобразите спектральную амплитудную диаграмму периодической последовательности импульсов, полученных ограничением отрицательной полуволны гармонического колебания. 10. Изобразите спектральную амплитудную диаграмму периодической последовательности импульсов, полученных симметричным ограничением гармонического колебания. 11.Как можно определить спектральную фазовую диаграмму радиосигнала.

43

Лабораторная работа №6 ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМ – СИГНАЛОВ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследование физических процессов, происходящих при детектировании АМ-колебаний диодным детектором, снятие детекторной характеристики и осциллограмм в различных точках схемы. ОБОРУДОВАНИЕ 1. Макет с системой связанных колебательных контуров 2. Измерительные приборы: - осциллограф С1-112; - генератор низкочастотный Г3-120; - генератор стандартных сигналов Г4-18А; - милливольтметр В7-38 В. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

Рис. 6.1.

44

Устройство представляет собой последовательный диодный детектор с нагрузкой ввиде С-фильтра нижних частот. Исследования проводятся по структурной схеме приведенной на рис. 6.2.

Г3-120

С1-112А К32

Г4-18

Вх.1

В7-38 Рис. 6.2.

Детектированием называют процесс восстановления модулирующего напряжения из модулированных колебаний. Детектирование сопровождается преобразованием спектра, которое заключается в создании модулированных частот, не содержащихся в спектре входного модулированного колебания, т.е. осуществляется процесс переноса спектра модулированных колебаний из одной области частот в другую без изменения структуры сигнала. Любой детектор АМ-колебаний содержит элемент, где происходит преобразование спектра, и фильтр низких частот, который выделяет требуемый спектр. Элементом, в котором осуществляется преобразование спектра может быть как управляемое (транзистор, триод, пентод), так и неуправляемое (диод) нелинейное сопротивление. Принципиальная схема диодного детектора имеет вид:

Рис. 6.3. Постоянная времени τ = RC фильтра низких частот выбирается так, чтобы обеспечить выполнение неравенства, при котором 45

наблюдается неискаженное воспроизведение огибающей АМколебаний и необходимое сглаживание высокочастотных пульсаций, т.е.

2π

ω0

≤ RC ≤

2π , Ω

где

ω0 - несущая частота АМ-

колебаний; Ω - наивысшая частота в спектре модулирующего сигнала. При выполнении этого неравенства, выходное напряжение не содержит высокочастотных составляющих и наблюдается отсутствие частотных искажений. При действии АМ-колебания

U вх = U m (t )cos(ω0t + ϕ ) = U m (t )cos φ в схеме возникает ток

i = I 0 (t ) + I1 (t )cos φ + I 2 (t )cos 2φ + ........ Все высокочастотные составляющие тока отфильтровываются фильтром нижних частот и не создают выходного напряжения. Полезным результатом детектирования является напряжение U 0 (t ) , которое создается на выходе детектора за счет постоянной

составляющей тока I 0 (t ) . Важными характеристиками диодного детектора являются детекторные характеристики. Это зависимость выходного напряжения U 0 от амплитуды высокочастотных колебаний U 0 = f (U m ) ,

U 0 = I 0 R и коэффициент передачи детектора К Д = U 0 U m (t ) .

При анализе работы диодного детектора следует учитывать, что к диоду приложено напряжение U = U вх − U Д . Режим работы диодного детектора определяется амплитудой высокочастотных колебаний U m (t ) 6 для слабых сигналов, наибольшая амплитуда которых 0,1-0,2 В, имеет место квадратичное детектирование. При детектировании слабых сигналов можно считать, что U Д ≈ 0 , U = U вх , а ВАХ диода аппроксимируется степенным полиномом: 46

i = a0 + a1U + a2U 2 . Это соответствует так называемому квадратичному режиму детектирования. В этом случае характеристика детектирования имеет квадратичный характер и определяется по формуле:

I 0 = a0 + 1 2a2 U m2 (t ) . Для сильных сигналов, амплитуда которых не менее 1 В, режим детектирования линейным ВАХ, аппроксимируется двумя отрезками прямых (кусочно-линейная аппроксимация): ⎧S( u − U H ) i =⎨ ⎩0

при при

u ≥ UH u ≤ UH

где S - крутизна линейного участка ВАХ; U H - напряжение отсечки (начало ВАХ). В этом случае характеристика детектирования линейна и определяется по формуле:

I0 =

SU m (t )

π

(sin θ − θ cosθ ) ; 3

3π ; SR U 0 = U m (t )cosθ ; U0 КД = = cosθ . U m (t ) cosθ =

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Работа выполняется на универсальном стенде К32, дополненный следующими контрольно-измерительными приборами:

47

-

низкочастотный генератор испытательных сигналов

Г3-

120; - генератор стандартных сигналов Г4-18А; - осциллограф С1-112; - милливольтметр В7-38 В. Кассета с дополнительным радиотехническим устройством, позволяющим совместно с измерительными приборами реализовать “диодный детектор“, устанавливается на передней панели стенда К32. Принципиальная схема устройства приведена на рис.1.Устройство представляет собой последовательный диодный детектор с нагрузкой в виде С-фильтра нижних частот. Исследования проводятся по структурной схеме, приведенной на рис.6.2. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Включить питание измерительных приборов, входящих в состав лабораторной установки и дать приборам прогреться в течение 5 минут. Проверить работоспособность приборов согласно лабораторной работе №1. 2. Собрать лабораторную установку для исследования детектирования АМ-сигналов согласно структурной схеме, представленной на рис. 6.2. Установить кассету с исследуемым устройством на переднюю панель лабораторного стенда К32 и подключить питание исследуемого устройства от внутреннего источника питания стенда К32 напряжением 15 В. Подключить к входу “1“ стенда К32 генератор стандартных сигналов Г4-18А, а к выходу – осциллограф С1-112. 3. Определить резонансную частоту фильтра исследуемого устройства, установленного на вашем рабочем месте. Для этого нужно подключить осциллограф С1-112 к гнезду “5“ исследуемого устройства и, изменяя частоту Г4-18А, пронаблюдать изменение сигнала на выходе резонансного усилителя (гнездо “5“). Максимальная амплитуда сигнала на гнезде “5“ будет соответствовать резонансной частоте фильтра исследуемого устройства. Записать резонансную частоту фильтра f 0 в отчет по лабораторной работе. 4. Настроить генератор Г4-18А на АМ сигнал со следующими параметрами: 48

- глубина модуляции М=50%; - частота модулирующего сигнала f = 400 Гц; - несущая частота f H = f 0 . Использовать при этом внутреннюю модуляцию генератора Г4-18А. 5. Произвести измерения, необходимые для построения детекторной характеристики диодного детектора. Для этого нужно, изменяя амплитуду АМ-сигнала генератора Г4-18А с помощью аттенюатора от 0,1 до 1 В; снять не менее чем в шести точках значения напряжений на входе амплитудного детектора U вх (гнездо “5“) и на выходе детектора U вых (гнездо “6“). Занести результаты измерений в таблицу 6.1. Таблица 6.1. Uвх, В Udых, В

Одновременно зарисовать осциллограммы напряжений на входе детектора (гнездо “5“), диоде (гнезда “5“ и “6“) и нагрузке (гнездо “6“). Построить по результатам измерений детекторную характеристику, которая определяется зависимостью: U вых = f (U вх ) . Дать письменное объяснение полученной детекторной характеристике. 6. Снять амплитудно-частотную характеристику детектора, которая определяется зависимостью: U вых ∼ = f (F ) . Для этого следует , изменяя модулирующую частоту АМсигнала с помощью генератора Г3-120 в пределах 1 кГц – 10 кГц, снять не менее шести значений напряжения на выходе детектора (гнездо “6“) с помощью милливольтметра В7-38. На генераторе Г3-120 выставить амплитуду 5 В. Данные занести в таблицу 6.2. (На генераторе Г3-120 выставить амплитуду 5В) Таблица 6.2. F, КГц Udых, В

49

Построить по результатам измерений амплитудно-частотную характеристику диодного детектора. Дать письменное объяснение полученной характеристике. 7. Определить коэффициент передачи диодного детектора в режиме линейного детектирования при изменении напряжения смещения (отсечки). Для этого следует установить на входе генератора стандартных сигналов Г4-18А АМ-сигнал со следующими параметрами: - амплитуда сигнала 1000мВ; - коэффициент модуляции М=50%; - частота модулирующего сигнала f=400 Гц; - несущая частота f H = f 0 . Изменяя напряжение смещения диодного детектора ручками блока питания ГН1 стенда К32 и контролируя его с помощью милливольтметра В7-38, снять не менее пяти значений напряжения на выходе детектора (гнездо “6“). Рассчитать коэффициент передачи диодного детектора при различных напряжениях смещения и построить график К Д = f (U отс ) . 8. Повторить программу пункта 7 для режима квадратичного детектирования. Для этого нужно установить напряжение сигнала на выходе Г4-18А равным 140 мВ. Сделать письменные выводы о результатах исследований, проведенных в пунктах 7 и 8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Поясните принцип работы диодного детектора? 2. Чем определяется режим работы диодного детектора? 3. Чем следует руководствоваться при выборе параметров нагрузки диодного детектора? 4. В чем преимущества линейного детектирования перед квадратичным? 5. Дайте определение детекторной характеристики?

6. Дайте определение коэффициенту передачи диодного детектора?

50

Лабораторная работа №7 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение основных закономерностей преобразования частоты. В работе снимается зависимость коэффициента преобразования от напряжения смещения, исследуются спектры при сигналов на выходе преобразователя при большой и малой амплитуде гетеродина. ОБОРУДОВАНИЕ Работа выполняется на универсальном лабораторном стенде К 32, дополненном следующими контрольно-измерительными приборами: - осциллографом-мультиметром С 1-112 А; - генератором стандартных сигналов Г 4-18 А; - и генератором звуковой частоты Г 3-120; - милливольтметром В 3-38 В. При выполнении работы комплект приборов может меняться. Кассета с исследуемым преобразователем частоты устанавливается на передней панели стенда К 32. В состав макета входит кварцевый гетеродин, частота которого указана на плате, и смеситель.В работе исследуется транзисторный смеситель и кольцевой балансный смеситель. Схема транзисторного смесителя приведена на рис.7.1. Напряжения сигнала Uс и гетеродина Uг подаются на базу транзистора VT через трансформатор. Уровень сигнала контролируется на гнезде XS5, а гетеродинного напряжения – на гнезде XS6. К выходу смесителя подключен пьезокерамический фильтр ZF, работающий на частоте 465 кГц. Режим смесительного элемента по постоянному току устанавливается с помощью резисторов R1 и R2 и контролируется на гнезде XS4. Ток транзистора Iэ определяется как: Iэ = (Е2 - Uxs4) / R1 = (15 - Uxs4) / 4,7 (мА). 51

Рис. 7.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ Преобразователем частоты называется часть радиоприемного устройства, в которой происходит перенос спектра принимаемого сигнала с частоты несущего колебания на промежуточную частоту, на которой осуществляется, как правило, основное усиление. Нарушения амплитудных и фазовых соотношений составляющих спектра обычно не допускается. В состав преобразователя частоты входит три устройства: смеситель — каскад на нелинейном или параметрическом преобразовательном элементе, гетеродин —маломощный автогенератор высокой вспомогательной частоты, на величину которой планируется перенос спектра сигнала, и фильтр, выделяющий колебание промежуточной частоты. Иногда гетеродин и смеситель выполняются на одном активном элементе (преобразователь частоты с совмещенным гетеродином). На преобразовательном элементе происходит взаимодействие сигнала и колебаний гетеродина, в результате чего возникает колебание, имеющее в своем составе большое число комбинационных составляющих с частотами f = ± n·fг ± m·fс , где n, m = 0; 1; 2; 3 и т.д. (любые целые числа). Одну из этих комбинационных частот, используемую в качестве новой несущей частоты выходного сигнала, называют про52

межуточной частотой. Основными электрическими характеристиками преобразователей являются: - коэффициент передачи напряжения, который определяется как отношение напряжения сигнала на выходе преобразователя на промежуточной частоте к напряжению сигнала высокой частоты на его входе; - полоса пропускания - ширина области частот, в пределах которой сохраняется допустимая неравномерность коэффициента передачи; - избирательность, определяющая степень уменьшения коэффициента передачи при заданной расстройке по сравнению с его значением на частоте резонанса; - коэффициент линейных искажений; - коэффициент нелинейных искажений; - перекрытие заданного диапазона частот. - число и интенсивность побочных каналов приема, порождаемых преобразователем частоты. Преобразователь может выполняться как по схеме с отдельным гетеродином, так и с совмещенным. В последнем случае смесительный элемент является одновременно активным элементом автогенератора. Иногда в литературе (и в разговоре) смеситель называют преобразователем частоты независимо от того, входит в его состав гетеродин или нет. В основу классификации преобразователей частоты обычно кладут тип преобразовательного элемента и схему его включения. Различают диодные, транзисторные, ламповые преобразователи; по схемному решению - однотактные, двухтактные (балансные), кольцевые. Конкретный тип преобразовательного элемента также находит отражение в наименовании преобразователя: на биполярном и полевом транзисторе, точечном диоде, туннельном и обращенном диодах, диоде с барьером Шотки и т.д. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Включить и подготовить к работе все контрольноизмерительные приборы. Установить во входной разъем стенда кассету с исследуемым преобразователем частоты. На «Вход 1» стенда с генератора Г 4-18А подается напряжение сигнала ампли53

тудой 5 —10 мВ с глубиной модуляции m = 30 % на частоте, близкой к значению: fс = fг – 465 кГц , где fг – частота, указанная на макете. Питание макета осуществляется от источников 15 В стенда. Осциллограф подключить к гнезду «XS8» макета. Убедиться в работоспособности лабораторной установки, для чего, плавно изменяя частоту генератора Г 4-18А в обе стороны от начальной установки, получить на осциллографе устойчивое изображение испытательного сигнала, преобразованного на промежуточную частоту, причем для частоты входного сигнала, поступающего с генератора Г4-18А должно выполняться приведенное выше соотношение. При изменении частоты генератора амплитуда выходного напряжения макета должна уменьшаться. Записать точное значение частоты настройки ФСС и генераторов. 2. Подключить осциллограф к гнезду «XS8» макета, а к гнезду «XS4» – вольтметр В7-38 для измерения постоянного напряжения. Вращением ручки потенциометра R2 изменять ток транзистора от минимального до максимального. Результаты измерений и расчетов занести в табл.7.1. Таблица 7.1. № п/п Uxs4, В Iэ, мА Uвых, мВ Кпр

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Построить график зависимости коэффициента преобразования Кпр(Iэ) от тока транзистора. Оценить влияние выбора рабочей точки смесительного элемента (транзистора) на коэффициент преобразования. Iэ = (Е2 - Uxs4) / R1, Кпр = Uвых/UвхСделать выводы по полученным результатм и записать их в отчет. 3. Снять и построить зависимость напряжения на выходе преобразователя от частоты сигнала при амплитуде сигнала 10 мВ, занося в таблицу значения напряжения на выходе преобразователя в максимумах и частоты максимумов в диапазоне от 100 КГц до 10 МГц. Амплитуда гетеродина 100 мВ.

54

Сделать выводы по полученным результатм и записать их в отчет. Таблица 7.2. № п/п Fc, кГц Uвых, мВ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

4. Выполнить программу исследований п. 3 для амплитуды гетеродина 1000 мВ. Сделать выводы по полученным результатм и записать их в отчет. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назначение и основные требования к преобразователям частоты. 2. Классификация преобразователей частоты и их основные свойства. 3. Как выбирается амплитуда гетеродинного напряжения? 4. Как выбирается величина напряжения смещения в преобразователе частоты? 5. Объясните назначения фильтра промежуточной частоты в схеме преобразователя. 6. Каковы причины возможного появления искажения колебаний на выходе преобразователя? ЛИТЕРАТУРА 1. Хиленко В. И. Основы радиоэлектроники. – Л. : Судостроение, 1983. 232 с. 2. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Радио и связь, 1986. 3. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 1988. 4. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. – Л.: Советское радио, 1976.

55