Детектирование АМ колебаний.

Теория.

Амплитудный детектор (демодулятор), предназначен для преобразования АМ сигналов в напряжение, соответствующее огибающей этого сигнала.

В процессе детектирования происходит значительное изменение спектра; из суммы гармонических колебаний высоких (несущей и боковых) частот получаются низкочастотные составляющие модулирующего сигнала. Поэтому, детектором может быть только нелинейный или параметрический четырёхполюсник.

Амплитудный детектор, в большинстве случаев, выполняется на основе диода, работающего в нелинейном режиме. Эквивалентная схема амплитудного детектора с последовательным включением полупроводникового диода показана на рис. 7.1,а. Здесь q_н и с_н –проводимость и ёмкость нагрузки, U_вх- напряжение высокой частоты на входе детектора.

 

 

 

Рис. 7.1 Эквивалентные схемы диодного детектора

 

При малых коэффициентах глубины модуляции m собственно детектор можно заменить четырёхполюсником (рис.7.1, б), описываемым системой уравнений.

 

где mU_вх0-амплитуда огибающей высокочастотного напряжения; I ₀- приращение входного тока высокой частоты, соответствующее изменению амплитуды огибающей входного напряжения; U_H, I_H- амплитуды напряжения и тока низкой частоты (частоты модуляции) в выходной цепи детектора; q_д- эквивалентные проводимости детектора. Эквивалентные проводимости детектора зависят от выбора положения начальной рабочей точки детектора и уровня входного сигнала. Для слабых сигналов, выбирая рабочую точку при U=0 эквивалентные проводимости детектора можно выразить формулами

(2)

Здесь отрицательный знак взаимных проводимостей принят в соответствии с положительными направлениями токов и напряжений на выводах четырёхполюсника.

Основными характеристиками детекторного каскада являются коэффициент передачи напряжения, который в случае детектирования модулированного напряжения определяется выражением

… (3)

и входная проводимость детектора для высокой частоты .

Коэффициент передачи напряжения можно вычислить по матрице эквивалентных проводимостей детектора в уравнении (1).

… (4)

где - проводимость нагрузки.

Если проводимость нагрузки для частоты модуляции имеет комплексный характер, то будет определять частотную характеристику детектора.

Напряжение низкой частоты на нагрузке детектора

… (5)

При слабых сигналах детектор на полупроводниковом диоде является квадратичным.

Входная проводимость детектора для огибающей, при слабых сигналах, определяется по формуле:

… (6)

При сильных сигналах (линейное детектирование) эквивалентные проводимости детектора записываются с учётом обратной проводимости диода:

… (7)

 

где, qi- крутизна прямой ветви вольт- амперной характеристики;

Q-угол отсечки входного напряжения.

Если выполняется условие , то приближенно

… (8)

следовательно, коэффициент передачи детектора при линейном детектировании

… (9)

Относительный уровень сигнала, при котором наступает линейное детектирование оценивается коэффициентом чувствительности детектора

… (10)

При детектировании модулированного сигнала полезная входная мощность

… (11)

а мощность сигнала низкой частоты, выделяемая в полезной нагрузке детектора,

… (12)

Следовательно, формула для коэффициента передачи мощности детектором

Основной особенностью режима работы детекторного каскада, является большая величина проводимости полезной нагрузки детектора, которой является входная проводимость первого каскада усилителя низкой частоты. Между тем, при увеличении проводимости нагрузки детектора коэффициент передачи снижается и увеличивается его входная проводимость. Увеличение входной проводимости детектора затрудняет её согласование с выходной проводимостью предыдущего каскада и приводит к уменьшению напряжения высокой частоты на входе детектора, что нежелательно в связи с уменьшением К_Д и повышением уровня нелинейных искажений.

 

Цель работы

Исследование работы и характеристик диодного детектора.

Схема работы и измерительная аппаратура

В работе используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ. Схема ис­следуемой цепи приведена на рис. 7.2. Переключатель «С_н» дает возмож­ность изменять в широких пределах постоянную времени RC - цепи (на­грузка детектора). Изображенный на схеме микроамперметр находится в правой части приборной панели наверху стенда.

В качестве источника AM сигнала с относительно низкой частотой несущего колебания (f_H1=13...15 кГц) используется модулятор, изученный в предыдущей лабораторной работе и настроенный в соответствии с экс­периментальными данными оптимального режима. Выход амплитудного модулятора (гнездо КТЗ) является входом детектора.

Рис. 7.2. Схема амплитудного детектора

 

В качестве источника AM сигнала с повышенной частотой несущего колебания используется генератор, расположенный на блоке ИСТОЧ­НИКИ СИГНАЛОВ (f _н2⁼110 кГц). При использовании этого генератора он также присоединяется ко входу детектора (гнездо КТЗ), но при этом нагрузкой в модуляторе следует выбрать «R». (Кнопка включения рези­стора «R» одновременно отключает емкость контура (на схеме макета это не показано) для того, чтобы исключить шунтирующее действие расстро­енного низкочастотного контура ( 15 кГц) на генератор высокочастот­ного сигнала (110 кГц).

Измерительные приборы подключаются к входу детектора или к выходу (гнездо КТ4). Используются вольтметр, осциллограф и анализа­тор спектра (ПК).

Домашнее задание

1. Изучите по конспекту лекций и литературе основные вопросы те­мы «Частотная модуляция».

2. Оформите заготовку отчета.

Лабораторное задание

1. Наблюдайте временные диаграммы и спектры в процессе детекти­рования колебаний с разными постоянными времени нагрузки детектора.

2. Изучите характеристику детектирования при малых и при боль­ших амплитудах входного сигнала.

Методические указания

1. Временные диаграммы и спектры при детектировании наблюда­ются при подаче AM колебаний с пониженной частотой несущего коле­бания. Для этого собрать схему модулятора и установить оптимальный режим по данным предыдущей лабораторной работы. Друг под другом с сохранением масштаба зарисовываются осциллограммы и спектры:

• модулированного колебания на входе детектора (гнездо КТЗ);

• напряжения на выходе детектора при всех значениях емкости на­грузки С_н (О, 3, 15, 30, 300 нФ).

2. Задания п. 1 повторяются (без анализа спектров) при действии AM колебаний с повышенной частотой несущего колебания (110 кГц). Для этого к гнездам КТЗ присоединяется внутренний источник AM колеба­ний; амплитуда несущей выбирается равной 1 В при m=0,6...0,8. Пере­ключатель «С_н» установить вначале в положение «О». Переключатель R или LC (нагрузка полевого транзистора) установить в положение «R».

3. Детектирование AM сигналов с глубиной модуляции т>1. Сохра­няя схему измерений п. 2, увеличить до максимума глубину модуляции (ручку «m» — в крайнее правое положение).

Зарисовать осциллограммы на входе и выходе детектора при С_н=3 нФ.

4. Характеристика детектирования I₀(U ) снимается при действии немодулированных колебаний, получаемых от встроенного генератора с частотой f_n1 (m=0). Переключатель С_н установить в положение 15 нФ. Ток детектирования измеряется внутренним микроамперметром при из­менении U в пределах до 1 В. Данные измерений заносятся в табл. 7.1, при этом особое внимание надо обратить на выявление общего вида ха­рактеристики и, в частности, ее начального участка (определить U при одном, двух и трех делениях шкалы микроамперметра). Для более точно­го измерения входных напряжений в этом пункте желательно использо­вать внешний милливольтметр.

 

 

Таблица 7.1

Характеристика детектирования

 

FH=... кГц; m=0; Сн=15 нФ
U , B
I0, мкА

 

Отчет

 

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему исследования;

2) таблицы экспериментальных данных;

3) график характеристики детектирования, а также осциллограммы и спектры исследованных процессов.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое детектирование? Поясните процесс детектирования AM сигнала, пользуясь временными и спектральными представлениями.

2. Изобразите схему коллекторного детектора на транзисторе.

3. Какова характеристика детектирования диодного детектора при подаче слабых сигналов?

4. Каковы условия линейного детектирования в схеме диодного де­тектора?

5. Изобразите схему диодного детектора. Поясните работу диодного детектора соответствующими временными диаграммами.

6. С каким углом отсечки работает диод в схеме диодного детектора? От чего зависит величина этого угла?

7. Из каких условий выбирается постоянная времени нагрузки при детектировании AM сигналов?

8. Можно ли детектировать диодным детектором:

• AM колебания при т>1

• AM колебания с подавленной несущей;

• колебания с однополосной модуляцией?

9. Что такое синхронный детектор и в каких случаях он может быть использован?

10. Как детектировать колебания с полярной модуляцией?

11. Чем отличается диодный детектор от выпрямителя?

12. Как экспериментально получить форму тока, протекающего че­рез диод в схеме детектора AM колебаний?

 

Лабораторная работа №8