Детектори АМ та ЧМ сигналів.

Мета: набути навичок розрахунку, складання і аналізу роботи детекторів амплітудно-модульованих та частотно-модульованих сигналів.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

 

Детектування амплітудно-модульованих сигналів, за своїм принципом, дуже просте. Слід виділити сигнал однієї полярності та видалити високочастотний сигнал несучої частоти – усереднити сигнал.

Виділення сигналу однієї полярності надає сигналу ненульового середнього значення. Якщо АМ сигнал усереднити таким, як він є, у результаті отримаємо нуль, оскільки сигнал є симетричним відносно осі часу. Виділення однієї полярності є безпосередньою задачею діоду, отже першим елементом детектора АМ сигналу є діод.

Розділення сигналу за частотами – задача фільтру. Відповідно до поставленої задачі, вимагається фільтр низьких частот (ФНЧ), який пропустить відносно низькочастотний інформативний сигнал і значно ослабить більший за частотою сигнал несучої частоти. Найпростішим ФНЧ є конденсатор, включений паралельно до навантаження. Відтак, другим елементом детектора є конденсатор.

Отже, найпростіший детектор АМ сигналу складається з двох деталей та споживача сигналу. Принципова схема детектора наведена на рис. 1. Діод D1 включений таким чином, що пропускає лише позитивну складову вхідного сигналу, конденсатор С1 усереднює сигнал, ослабляючи високочастотну складову. Резистором R1 позначене навантаження – споживач інформативного сигналу. У випадку радіосигналу це може бути навушник, у специфічних задачах – виконавчий пристрій, тощо.

Принциповою особливістю детектора є відсутність джерел живлення. Детектор здатний перетворити енергію сигналу, що передається, на корисну інформацію. Це, зокрема, дозволяє використовувати подібні детектори в умовах, коли заміна джерел живлення ускладнена чи взагалі неможлива. Відсутність джерел живлення також зменшує розміри детектора дозволяючи виконувати його вкрай мініатюрним, обмеженим лише розмірами споживача сигналу. Наприклад, для передачі голосової інформації детектор можна цілком помістити у навушник як завгодно малого розміру і сховати у вусі. В якості додаткового обмеження розмірів може виступати хіба що приймальний пристрій – антенна, фотоприймач, мікрофон тощо.

Для дослідження практичних схем детекторів в емуляторі Electronics Workbench передбачені спеціалізовані джерела амплітудно-модульованого (АМ) та частотно-модульованого (FM) сигналів у вкладці з елементами живлення. Звичайно, можна використати АМ генератори, розглянуті в попередніх роботах, але з метою економії часу будемо використовувати вбудовані елементи.

Практична схема детектора та осцилограма його роботи наведена на рис. 15.2. АМ генератор налаштовано на передавання інформативного сигналу з частотою 1 кГц з несучою частотою 100 кГц. На осцилограмі об’єднані сигнали генератора та детектора. Як видно, детектор дійсно виділяє інформативний сигнал.

 

 

В той же час можна помітити неідеальності відновлення сигналу. Несуча частота, хоч і значно ослаблюється, повністю не зникає, утворюючи „товсту” лінію відтвореного сигналу.

Для покращення якості відновленого сигналу можна використати додаткові фільтри, або замінити конденсатор фільтром вищого порядку. Проте, в більшості прикладних задач додаткова фільтрація не вимагається. Наприклад, для радіотрансляції звукової інформації додаткова фільтрація не є необхідною з кількох причин: 1) засоби відтворення звуку (навушники, динаміки) не здатні відтворювати високі частоти, що використовуються в якості несучих, тобто самі по собі є фільтрами низьких частот; 2) людське вухо не сприймає зазначені частоти, навіть, якщо вони будуть відтворені.

При розрахунку детектора АМ сигналів для реальних потреб необхідно користуватись наступними міркуваннями:

діод має нормально працювати з сигналами, частота яких визначається частотою несучого сигналу. Частіше за все, мова іде про високочастотні діоди;

величина ємності конденсатора розраховується з міркувань утворення фільтра низьких частот конденсатором та опором навантаження, тобто, окрім параметрів сигналу, необхідно враховувати параметри споживача (приймача) відновленого сигналу.

Слід додатково відзначити, що якість відновлення інформативного сигналу залежить від різниці частот несучої та, власне, сигналу. Чим далі одна від іншої ці частоти, тим якісніше їх розділяє фільтр.

 

Детектування частотно-модульованих сигналів зводиться до перетворення їх до амплітудно-модульованих і використання описаних вже принципів їх детектування.

В основі перетворення ЧМ – АМ лежить залежність коефіцієнту пропускання фільтрів від частоти вхідного сигналу. Принципова схема перетворювача наведена на рис. 15.3. Паралельно до генератора частотно-модульованого сигналу (або приймального пристрою такого сигналу) включається резонансний фільтр з частотою резонансу близькою, але відмінною від несучої частоти сигналу. В ідеальному випадку несуча частота має відповідати максимально лінійній ділянці на амплітудно-частотній характеристиці фільтра.

Оскільки опір фільтра залежить від частоти сигналу, амплітуда сигналу після фільтру буде залежати від його частоти. В цьому і полягає принцип перетворення ЧМ сигналу до амплітудно-модульованого. Точніше, сигнал набуває комплексної модуляції – в ньому залишається частотна модуляція і додається амплітудна.

Практична схема перетворювача та осцилограма його роботи наведені на рис. 15.4. Як видно, на вході перетворювача сигнал не містить амплітудної модуляції, на виході ж він її набуває.

 

 

Для підбору параметрів фільтру на рис. 15.4 слід використати міркування щодо частоти його резонансу

Гц.

Як видно, частота несучого сигналу відповідає більшому значенню і становить 3000 Гц. Це відповідає зміщенню відносно частоти резонансу і відносній лінійності перетворення.

Модульований за амплітудою сигнал можна детектувати з використанням вже розробленого прин­ципу. Практична схе­ма детектора ЧМ сигналу наведена на рис. 15.5, осцилограма його роботи – на рис. 15.6.

Наявність додат­кової частотної модуляції в сигналі практично ніяк не впливає на результат детек­тування, оскільки ви­ді­ляється низька частота ін­формативного сигналу, а висока частота несучого максимально редукується. Малі девіації (модуляції) несучої частоти дуже мізерно впливають на ступінь її „придушення” фільтром.

Результат відновлення (див. рис. 6) досить наочно ілюструє зазначене.

Аналогічно до результатів роботи АМ детектора, спостерігаються неідеальності відновленого сигналу – наявність залишків несучої частоти. Проте і роль неідеальностей повністю аналогічна.

 

ЗАВДАННЯ

1. Зібрати схему детектора АМ сигналу з параметрами, вказаними на рис. 15.2. Переконатись, що осцилограма його роботи відповідає наведеній на рисунку. За необхідності виправити помилки.

 

2. Задати довільним чином значення частоти інформативного сигналу та опір навантаження. Обрати, з міркувань доцільності, частоту несучого сигналу. Розрахувати величину ємності конденсатора. Отримати осцилограму роботи детектора, визначити період відновленого сигналу T.

 

3. Повторити п. 2 кілька разів. Дані звести в табл. 15.1. Зробити висновки щодо якості роботи детектора.

Таблиця 15.1.

Дослідження роботи детектора АМ сигналів

№	f інформ., Гц	Rнавант., Ом	f несуча, Гц	С, мкФ	Т відновл, с	f відновл, Гц
			100 000		0,001
...

 

4. Зібрати схему детектора ЧМ сигналу з параметрами, вказаними на рис. 15.5. Переконатись, що осцилограма його роботи відповідають наведеним на рис. 15.6. За необхідності виправити помилки.

 

5. Задати довільним чином значення частоти інформативного сигналу та опір навантаження. Обрати, з міркувань доцільності, частоту несучого сигналу. Розрахувати параметри резонансного фільтру та ємність конденсатора в блоці АМ детектора. Отримати осцилограму роботи детектора, визначити період відновленого сигналу T.

 

6. Повторити п. 5 кілька разів. Дані звести в табл. 15.2. Зробити висновки щодо якості роботи детектора.

Таблиця 15.2.

Дослідження роботи детектора ЧМ сигналів

№	f інформ., Гц	Rнавант, Ом	f несуча, Гц	Резон. фільтр	С2, мкФ	Твідновл, с	fвідновл, Гц
L, Гн	С1, Ф	f рез, Гц
		1 000	3 000	0,005	5∙10^-6			0,01
...

 

 

7. У звіті навести всі схеми, розрахунки, таблиці. У висновках зазначити якість відновлення інформативних сигналів та випадки, коли вона погіршується чи покращується.

Лабораторна робота № 16