Принципи генерування АМ сигналів.

Мета: набути навичок розрахунку, складання і аналізу роботи генераторів амплітудно-модульованих сигналів.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

 

Сигнали з амплітудною модуляцію (АМ) довгий час залишались найпопулярнішими для передавання інформації. Амплітудна модуляція проста для розуміння та візуального сприйняття і аналізу, передавачі АМ мають відносно прості принципи побудови. Але найпростішим, за принципом, є демодулятор – приймач амплітудно-модульованого сигналу. Найпростіший детекторний приймач складається з 4 деталей (без урахування антени) і взагалі не потребує живлення – використовує енергію самого сигналу. Зазначена простота модуляторів та демодуляторів обумовила поширеність АМ сигналів, зокрема у радіо ефірі.

Головним недоліком амплітудної модуляції є нестійкість до перешкод. Оскільки дія перешкоди полягає саме у зміні амплітуди сигналу, перешкода сприймається як інформація, що передається. Звичайно, є методи для усунення дії перешкод, але ці методи ускладнюють схеми і, досить часто, не є ефективними.

АМ сигнал створюється з двох складових – несучого сигналу, енергія якого забезпечує передавання, та інформативного сигналу, що має модулювати несучий. Несучий сигнал обирається у вигляді гармонійної функції

, (1)

де А – амплітуда сигналу, f – його частота, φ – початкова фаза. Відповідно до назви, модуляції зазнає саме амплітуда сигналу. Нехай інформація закладена у функцію . Тоді модульований сигнал набуде математичного вигляду

(2)

Величина m називається глибиною модуляції і підбирається з міркувань енергетичної доцільності. Додаткове обмеження на глибину модуляції вводиться вимогою, щоб амплітуда сигналу не набувала від’ємного значення. Хоча друга вимога не є обов’язковою, сигнали з завеликими глибинами модуляції мають швидше математичну, аніж практичну, цікавість.

Частота несучого сигналу підбирається відповідно до частоти інформаційного сигналу. Критерій полягає в тому, щоб за один період інформаційного сигналу відбулось декілька періодів несучого. Якщо інформаційний сигнал не має властивості періодичності, говорять про максимальну частоту (мінімальний період) в інформаційному сигналі, і відносно неї вибудовують критерій.

Наприклад, для передавання голосової інформації, яка, зрозуміло, не є періодичною, можна задатись обмеженням максимальної частоти чутності людини (20 кГц) або типовим значенням максимальної частоти голосу людини (5-10 кГц). Якщо не вимагається висока якість передачі, а лише розбірливість голосу, можна знехтувати високими частотами і обмежитись величиною 1 кГц. В такому разі частота несучого сигналу має бути не меншою 2-3 кГц. Якщо ж вимагається максимальна якість (скажімо, для радіо передач), то вимога пересувається у бік межі чутності (20 кГц). В такому разі частота несучого сигналу має бути не меншою 40-50 кГц.

Розглянемо найпростіший випадок, коли інформаційний сигнал є гармонічною функцією. Для спрощення виразів покладемо нульові значення для початкових фаз всіх сигналів. Тоді матимемо

,

. (3)

Як видно, глибина модуляції увійшла множником до амплітуди інформаційного сигналу. В такому разі зникає необхідність введення двох амплітудних параметрів, достатньо обмежитись лише амплітудою інформаційного сигналу (а), вважаючи, що її величина і є глибиною модуляції.

(4)

Відповідно до вимоги позитивності амплітуди модульованого сигналу

. (5)

 

З точки зору практичної реалізації, амплітудно-модульований сигнал формується двома операціями:

1) додавання інформаційного сигналу і постійної напруги, рівної 1,

2) множення результату додавання і несучого сигналу.

 

Додавання сигналів реалізується принципом суперпозиції, для реалізації якого достатньо підключити два джерела до однієї точки кола. Для виконання операції множення в емуляторі Electronics Workbench передбачено відповідний пристрій – Multiplier (рис. 13.1). Слід зазначити, що помножуючи пристрої доступні і в якості реальних електронних мікросхем.

Принципова електрична схема для реалізації амплітудно-модульованого сигналу наведена на рис. 13.2. Генератор інформаційного сигналу V1 через обмежувальний резистор R2 з’єднаний з джерелом постійної напруги V3, яке, в свою чергу, обмежує струм споживання резистором R1. Разом ці два сигнали подаються на Y вхід множника А1. За принципом суперпозиції на цьому вході зазначені сигнали додаються.

На вхід Х без додаткових обмежень подається несучий сигнал, що задається генератором V2.

Настройки помножувача дозволяють задавати певні характеристики „змішування” сигналів, проте, базові настройки відповідають простому виконанню математичної операції множення. На виході помножувача спостерігатиметься амплітудно-модульований сигнал.

Для вірної роботи амплітудного модулятора необхідно витримати певні співвідношення між параметрами генераторів, окрім вже зазначених співвідношень частот.

По-перше, обмежувальні резистори R1 та R2 повинні захищати джерела від взаємного впливу. В реальних колах слід встановити гранично допустимі струми відповідних генераторів. Скажімо, якщо інформаційний сигнал береться від мікрофона, резистор R1, який обмежує струм від постійного джерела, має бути достатньо великим, оскільки мікрофони працюють з дуже малими струмами і можливе пошкодження мікрофона струмом від постійного джерела. В свою чергу, резистор R2 має бути невеликого опору, оскільки він обмежує досить малі струми мікрофона. Для емуляції роботи модулятора можна обрати опори резисторів на пропонованому рівні 1 кОм. Взагалі вилучити резистори не можна, оскільки джерела в емуляторі вважаються ідеальними і в колі виявиться коротке замикання.

По-друге, напруга постійного джерела живлення має в точності відповідати амплітудному значенню напруги несучого сигналу. Саме в такому разі постійне джерело буде сприйматись як одиниця при додаванні. Оскільки для генераторів вказується діюче значення, слід розрахувати амплітуду, яка у разів перевищує діюче значення.

По-третє, амплітудне значення напруги інформаційного сигналу визначатиме глибину модуляції. Чим більша глибина модуляції, тим якісніше відновлений сигнал. Проте тим менша енергія сигналу, що передається. Оскільки при великій глибині модуляцій амплітуда зменшується суттєвіше, зростає кількість ділянок з малою амплітудою, а так і з малою енергією.

Нехай, генератор несучого сигналу буде мати частоту 10 Гц та діючу напругу 1 В. Тоді джерело постійної напруги має бути встановлене на величину В.

Джерело інформаційного сигналу оберемо з діючою напругою 0.5 В, очікуючи глибину модуляції на рівні ½. Частота інформаційного сигналу має бути у кілька разів меншою, ніж у несучого сигналу. Покладемо її на рівні 1 Гц.

Величини обмежувальних резисторів для роботи емулятора не грають принципового значення і можуть бути обрані на автоматично пропонованому рівні 1 кОм.

В якості генераторів гармонічних сигналів можна використати вже досліджені схеми (див. л.р. № 9), проте, для простоти дослідження використаємо генератори, виконані як окремі елементи. Зрозуміло, що для практичної реалізації доведеться складати генератори з основних деталей схемотехніки, проте принципи модуляції залишаться незмінними.

Електричне коло із вказаними параметрами та осцилограма його роботи наведені на рис. 13.3.

 

 

Як видно з рис. 13.3, на виході модулятора спостерігається сигнал із змінною амплітудою. Максимальне її значення становить 3 клітинки (приблизно 1.5 В), тобто визначається генератором несучого сигналу. Мінімальне значення – 1 клітинка. Відповідно, середнє значення становить 2 клітинки, відхилення від середнього ±1 клітинка. Відтак, маємо глибину модуляції 1/2, що і було закладене при розрахунку модулятора.

ЗАВДАННЯ

1. Зібрати схему генератора з параметрами, вказаними на рис. 13.3. Переконатись, що осцилограма його роботи відповідає наведеній на рисунку. За необхідності виправити помилки.

 

2. Задати довільним чином параметри інформаційного сигналу – частоту та діючу напругу. Задати величину глибини модуляції.

 

3. Провести розрахунки параметрів для всіх елементів кола модулятора (рис. 13.2) для передачі сигналу з параметрами, заданими у п. 2.

 

4. Встановити розраховані значення елементів електричного кола. Досягнути стійкої роботи модулятора. Зарисувати осцилограму його роботи із зазначенням параметрів осцилографа.

 

5. Повторити пп. 2-4 кілька разів. Результати звести в табл. 13.1.

 

6. У звіті навести всі схеми, розрахунки, зведену таблицю 13.1. У висновках зазначити ступінь відповідності закладених параметрів роботи модулятора та параметрів, що спостерігаються.

 

 

Таблиця 13.1

Розрахунок та експериментальне дослідження параметрів амплітудного модулятора

 

№	Задані параметри інф. сигналу	Параметри модулятора	Зарисовка осцилограми
V1	Глибина модуляції	R1, кОм	R2, кОм	V2	V3, В
f, Гц	U, В	f, Гц	U, В
		0,5	1/2					1,412

 

Лабораторна робота № 14

Генератор АМ сигналу.

Мета: набути навичок розрахунку, складання і аналізу роботи генераторів амплітудно-модульованих сигналів.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

 

В рамках даної лабораторної роботи розглянемо інший принцип створення амплітудно-модульованого сигналу з використанням транзисторної елементної бази.

Операція множення, необхідна для реалізації АМ сигналу відповідно до його математичного означення, достатньо складно реалізується на транзисторних колах. Існують два типові принципи: керовані генератори (ГУН-и „генератори з управлінням напругою”) та підсилювачі з керованим коефіцієнтом підсилення (більш відома англомовна абревіатура VCA – voltage controlled amplifier). Обидва принципи призводять до кіл, що є достатньо складні для того, щоб бути одним з елементів іншого кола.

Розглянемо більш прості принципи створення АМ сигналу. Перш за все, слід згадати, що транзисторні кола призначені для роботи з сигналами однієї полярності. Відтак, першим елементом генератора буде розщеплювач фази – коло, що перетворить вхідний сигнал змішаної полярності на два сигнали постійної полярності.

На рис. 14.1 наведена принципова схема розщеплювача. Два джерела живлення V1 та V2 забезпечують постійний напрямок струму через транзистор Q1, що включений за схемою звичайного підсилювача з негативним зворотнім зв’язком. Додатковий (до класичної схеми) резистор R2 обмежує максимальний струм від генератора вхідного сигналу V3.

Основою розщеплення є потрійний подільник напруги R4‑Q1‑R5, в якому керований елемент (транзистор) забезпечує відтворення вхідного сигналу.

Відтворимо зазначену схему та дослідимо її роботу. Робоча схема із підібраними номіналами деталей, а також осцилограма її роботи наведені на рис. 14.2. Однакові опори резисторів R4 та R5 забезпечують одиничне підсилення вхідного сигналу, тобто розщеплювач просто передає вхідний сигнал на два виходи без додаткового підсилення.

Як видно, на виходах розщеплювача спостерігаються однакові сигнали, амплітуда яких відповідає зазначеній на вхідному генераторі. Самі ж сигнали набувають постійної полярності, тобто лежать або повністю вище нульового рівня напруги, або повністю нижче. До того ж сигнали з різних виходів є протифазними, тобто нагадують дзеркальне відбиття один одного.

 

 

При уважному вивченні АМ сигналів вже можна стверджувати, що у нас наявна огинаюча сигналу. Залишається заповнити цю огинаючу сигналом несучої частоти.

Найпростіше – це забезпечити переривання огинаючого сигналу з певною періодичністю.

Для переривання використаємо транзисторні ключі, що працюють на принципі двох стабільних станів транзистора – відкритому і закритому.

Принципова схема ключа наведена на рис. 14.3. Основу складає подільник напруги на резисторах R1 і R2. Паралельно до R2 включений транзистор Q1, на базу якого через обмежувальний резистор R3 подається керуючий сигнал. Якщо керуючий сигнал дорівнює нулю, транзистор закритий, його опір великий і визначальним у роботі подільника є резистор R2. В такому разі на виході спостерігається частина вхідного сигналу, яка визначається співвідношенням опорів резисторів R1 і R2. Якщо ж на вході керування є позитивний сигнал, транзистор відкривається, його опір стає незрівнянно меншим, за опір R2 і вихідний сигнал можна вважати нульовим (замкненим на землю через відкритий транзистор).

Оскільки на виході розщеплювача діє два сигнали, включимо у схему два транзисторні ключі, що забезпечать переривання. Єдине, що слід зауважити, для сигналу з негативною полярністю слід використати транзистор іншої провідності.

Принципова схема генератора АМ сигналу представлена на рис. 14.4.

Транзистор Q1 включений за схемою розщеплювача фази сигналу від генератора V3. Цей генератор визначатиме огинаючу сигналу, тобто V3 – це генератор інформативного сигналу. Джерела постійного струму V1 і V2 забезпечують зміщення розщеплених сигналів. Тобто їх напруги мають бути більшими, ніж розмах інформативного сигналу. Співвідношення напруги інформативного сигналу і напруг джерел V1 і V2 буде визначати глибину модуляції. Причому жодних обмежень не накладається: можна створити сигнал з глибиною модуляції більшою ніж 1 – в такому разі сигнали будуть не розділені, а частково перетинатимуться.

Два транзисторні ключі (Q2‑R6‑R8‑R10) та (Q3‑R7‑R9‑R11) забезпечуватимуть переривання сигналів та їх змішування через резистори R8 та R9. Діоди D1 та D2 керують роботою ключів при позитивних та негативних значеннях сигналу з генератора V4. Відтак, генератор V4 задаватиме несучу частоту.

 

 

Для якісної роботи практичної реалізації генератора слід дуже ретельно підібрати номінали деталей, що використовуються у різних ключах. В рамках випробовування схеми в емуляторі достатньо ввести однакові величини опорів резисторів та параметри транзисторів. Реальні деталі виготовляються з певними допусками, зазначеними на самих деталях. Дійсні величини опорів і параметрів транзисторів можуть бути різними навіть для деталей з однаковим номіналом. Тобто вимагається якомога точніший збіг реальних (з урахуванням похибок) значень опорів резисторів R6 та R7, R8 та R9, R10 та R11. Транзистори Q2 та Q3 теж слід підібрати з однієї серії і, бажано, з однаковими числовими параметрами. На практиці слід виміряти реальні значення опорів і підібрати резистори з максимально близькими значеннями. Подібну процедуру бажано виконати і для підбору транзисторів.

До діодів D1 та D2 висувається вимога нормальної роботи для частот, що задає генератор несучої частоти V4. Основна задача цих діодів – відсікати зворотну складову. Тобто можна використовувати випрямляючі діоди. Але слід переконатись, що вони будуть вірно працювати при зазначених вище частотах.

Робоча схема генератора амплітудно-модульованого сигналу наведена на рис. 14.5.

 

Рис. 14.5. Робоча схема генератора амплітудно-модульованого сигналу.

 

Напруга генератора V4 використовується для керування транзисторними ключами. Основна вимога до нього – напруга генератора має бути достатньою для перемикання ключів. Сам транзистор відкривається напругою, близькою до 0.6 В (для найбільш популярних кремнієвих транзисторів). Аналогічна напруга спадає на діодах (якщо вони теж кремнієві). У підсумку маємо, що транзисторний ключ спрацює при перевищенні напругою на генераторі величини, близькою 1.5 В. Реально, напруга генератора має суттєво перевищувати зазначену величину (принаймні удвічі). Як видно з рис. 5 діюча напруга обрана на рівні 4 В.

Оскільки основна задача генератора – керувати ключами, а ключі, в свою чергу, переривають сигнали, генератор V4 можна замінити генератором імпульсів (меандру). У такому разі якість перемикання тільки покращиться. У будь-якому разі, до якості вихідного сигналу генератора V4 висуваються мінімальні вимоги, що суттєво спрощує його створення.

Кінцевий вибір реальної схеми генератора V4 визначається вимогами до елементної бази, з якої складається генератор. Наприклад, на транзисторі простіше створити генератор гармонічного сигналу, особливо при відсутності високих вимог до форми вихідного сигналу. На операційних підсилювачах, навпаки, простіше виконуються генератори імпульсів.

Зазначимо ще раз, що глибина модуляції вихідного амплітудно-модульованого сигналу задається співвідношенням напруги інформативного джерела та постійних напруг джерел живлення розщеплювача. Напруга генератора несучої частоти, на відміну від класичного принципу, використовується лише для керування ключами і не впливає на глибину модуляції.

На рис. 14.6 наведені осцилограми вихідного сигналу генератора, зібраного за схемою рис. 14.5. Перша осцилограма відповідає параметрам, заданим на рис. 14.5, друга – для напруги генератора інформативного сигналу 5 В. Як можна помітити, друга осцилограма відповідає глибині модуляції, що перевищує одиницю (контур синусоїди розривається).

 

 

 

ЗАВДАННЯ

1. Зібрати схему розщеплювача з параметрами, вказаними на рис. 14.2. Переконатись, що осцилограми його роботи відповідають наведеним на рисунку. За необхідності виправити помилки.

 

2. Додати транзисторні ключі, створивши схему за рис. 14.5. Переконатись, що осцилограм роботи генератора відповідає наведеній на рис. 14.6 (осц. 1). За необхідності виправити помилки.

 

3. Задати довільним чином напругу генератора інформативного сигналу V3. Отримати стійку осцилограму роботи АМ генератора. Виміряти глибину модуляції.

 

4. Повторити п. 3 кілька разів. Дані звести в табл. 14.1.

 

5. За даними табл. 14.1 запропонувати формулу для визначення глибини модуляції вихідного сигналу за відомими величинами напруг джерел V1 – V3. Оцінити похибку виконання формули.

 

6. У звіті навести всі схеми, розрахунки, таблиці. У висновках зазначити формули з визначеними похибками відтворення.

 

 

Таблиця 14.1

Розрахунок та експериментальна перевірка глибини модуляції вихідного сигналу амплітудного модулятора

№	Параметри модулятора	Параметри сигналу	Зарисовка осцилограми
V1, V2, В	V3, В	Umax	Umin	m
			3.1	0.9	0.55

 

Лабораторна робота № 15