Методические указания по выполнению лабораторной работы Составитель доц. Орлов С. В (стр. 2 из 3)

. (11)

Например, допустимое значение k_н в системах радиовещания не превышает нескольких процентов (k_н £ 5 %), что налагает ограничения на допустимый коэффициент глубины амплитудной модуляции в передатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторной характеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работу последующих усилительных каскадов.

В режиме «сильных» сигналов вольтамперная характеристика диода аппроксимируется линейной зависимостью i_g=f(u_g) (5). В этом случае появляется заметное напряжение смещения на анод диода из-за значительной величины U₌, т.е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течение тех интервалов времени, когда

. На рис. 4 показан угол отсечки θ тока диода. На интервале времени, соответствующем углу 2θ, происходит быстрый заряд конденсатора C_н (рис. 1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор C_н разряжается через резистор R_н.

Т.о., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором и при малых значениях угла q не создает нелинейных искажений модулирующего сигнала x(t).

Нелинейные искажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:

· нелинейностью начального участка вольтамперной характеристики диода. При этом, чтобы гарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0≤U_c≤U_c⁽¹⁾ на рис. 2, необходимо выбирать значение U_c исходя из неравенства:

; (16)

· различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.

При использовании усилителя с входным сопротивлением

R_УНЧ ³ (5 – 10)R_н

и выборе величины емкости разделительного конденсатора C_p, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с R_УНЧ из условия:

, (17)

где Ω_min – минимальная частота модулирующего сигнала,

этим видом нелинейных искажений можно пренебречь;

· нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора C_н. При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U₌ и u_a(t). В моменты времени, когда u_a(t) < U₌, конденсатор C_н будет разряжаться через резистор R_н по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии:

, (18)

где Ω_max – максимальная частота модулирующего сигнала.

Кроме рассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных» сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходном напряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровня колебания высокой частоты на выходе амплитудного детектора величина емкости конденсатора C_н выбирается из условия:

, (19)

а коэффициент фильтрации в этом случае определяется выражением:

k_ф = ω_cC_нr_g, (20)

где r_g – сопротивление диода в открытом состоянии.

4 Транзисторный детектор.

Основным преимуществом такого детектора, по сравнению с диодным, является возможность одновременного детектирования и усиления сигнала, что облегчает работу последующих каскадов. В транзисторных детекторах детектирование может выполняться за счет нелинейной вольтамперной характеристики базового, коллекторного и эмиттерного токов; причем далеко не всегда возможно создание чисто базового, коллекторного или эмиттерного детектирования и на практике используют смешанные режимы, например, коллекторно-базовый или эмиттерно-базовый режим детектирования.

Входное сопротивление R_вх и входную емкость С_вх транзисторного детектора при малых и средних амплитудах входного сигнала в первом приближении находят так же, как аналогичные параметры для усилительных схем в режиме короткого замыкания на выходе. При наличии отсечки базового тока (в режиме «сильных» сигналов) входное сопротивление транзисторного детектора оказывается выше, чем у диодного.

Благодаря указанным преимуществам, в интегральных микросхемах, как правило, используются транзисторные детекторы. Примером является микросхема, состоящая из усилителя промежуточной частоты с автоматической регулировкой усиления и амплитудного транзисторного детектора.

5 Синхронный детектор.

В качестве синхронного детектора обычно используется аналоговый перемножитель сигналов. При этом на один из входов аналогового перемножителя поступает амплитудно-модулированный сигнал uc(t) (1), на другой вход – опорное когерентное колебание u₀(t). В результате перемножения колебаний на выходе образуются низкочастотная составляющая 0,5u_a(t)U₀ и высокочастотная составляющая 0,5u_a(t)U₀cos(2w_ct), которая устраняется на выходе с помощью фильтра низкой частоты C_нR_н. К основным преимуществам синхронного детектора относятся:

· малые нелинейные искажения u_вых(t), вследствие работы при достаточно больших напряжениях опорного колебания в режиме детектирования «сильных» сигналов;

· возможность подключения в качестве нагрузки ФНЧ с полосой прозрачности, величина которой не зависит от значений частоты W_max модулирующего колебания;

· высокое входное и низкое выходное сопротивления, что обеспечивает хорошее согласование с соседними каскадами устройств обработки сигналов.

Однако преимущества синхронного детектирования амплитудно-модулированных сигналов реализуются лишь при точной синхронизации опорного и несущего колебаний. В реальных устройствах возможен фазовый сдвиг y между указанными колебаниями, вызванный задержкой в цепи формирования опорного колебания.

При наличии фазового сдвига y ¹ 0 амплитуда колебания на выходе синхронного детектора будет равна:

. (21)

Разлагая (21) в степенной ряд и ограничиваясь первыми членами разложения, можно получить:

.

Если входной сигнал u(t) имеет амплитудную модуляцию вида u_a(t)=U_c[1+m_acosΩt], то полезный сигнал на выходе синхронного детектора (без учета коэффициентов усиления) имеет вид:

u_вых(t)=0,5U_c[1+m_acosΩt]U₀cosy. (22)

Из выражения (22) следует, что максимальное значения u_вых(t) достигается при величине y = 2kp, что и следовало ожидать.

6. Лабораторная работа.

Качественные показатели амплитудных детекторов в значительной степени определяются уровнем амплитуды сигнала на входе детектора. Поэтому, как было показано ранее, методы расчета характеристик амплитудного детектора наиболее полно разработаны для режимов «сильных» и «слабых» сигналов.

Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование основных характеристик и параметров амплитудных детекторов, выполненных на основе:

· диодного детектора (тип 1);

· транзисторного детектора (тип 2);

· синхронного детектора на основе аналогового перемножителя (тип 3).

Установка может использоваться в автономном режиме и режиме программного управления от ЭВМ.

Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис. 5. На левом верхнем поле изображена структурная схема установки. На нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы. На правом поле расположен цифробуквенный дисплей с кнопками управления.

6.1 Структурная схема установки.

Лабораторная установка включает в себя генератор входного сигнала и блок детекторов (рис. 5).

Генератор входного сигнала формирует амплитудно-модулированный сигнал с регулируемыми амплитудой, частотой и состоит из:

· генератора высокой частоты (ГВЧ) с частотой генерации f_c = 465 кГц и регулируемой в диапазонах 0 – 0,1 В и 0,1 – 1,0 В амплитудой колебания u_Г;

· генератора низкой частоты (ГНЧ) с регулируемой в пределах 30 Гц – 15 кГц частотой генерации и постоянной амплитудой колебания U_M;

· модулятора, формирующего амплитудно-модулированный сигнал с постоянным коэффициентом глубины модуляции m_a=30 %.

блок детекторов содержит:

· диодный детектор, к выходу которого подключены коммутируемые независимо элементы нагрузки – резисторы и конденсаторы: R1, R2, C1 и C2;

· транзисторный детектор с коммутируемыми элементами нагрузки R1, R2, C1 и C2 на выходе;

· синхронный детектор, выполненный на основе аналогового перемножителя.

Значения параметров для диодного детектора: R1 = 20 кОм, R2 = 10 кОм, C1 = 4700 пФ, C2 = 1000 пФ.

К выходам детекторов через разделительный конденсатор Cр = 0,47 мкФ подключен нагрузочный резистор R = 20 кОм.