Лабараторные работы по генерированию

Лабораторная работа ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ Цель работы 1. Научиться исследовать энергетические и качественные характеристики сигнала при амплитудной коллек­торной модуляции. 2. Приобрести навыки в работе по исследованию амплитудной модуляции радиосигналов. Содержание работы 1. Изучение лабораторной установки. 2. Снятие динамической амплитудной модуляционной харак­теристики.

3. Снятие частотной модуляционной характеристики. Описание лабораторной установки Лабораторная установив выполнена на базе KB радиостанции "Карат" и позволяет провести исследование модулируемых каска­дов усилителя мощности (ГВВ). Измерительные приборы позволяют контролировать токи (напряжения) в различных цепях лабораторной установки: в качестве источника сигнала используется генератор низ­кой частоты

ГЗ-106, выходное напряжение которого поступает на вход модулятора; для измерения нелинейных искажений КГ используется прибор C6-IA ; коэффициент глубины модуляции измеряется прибором C2-11; осциллограф служит для визуального наблюдения за формой выходного сигнала; пульт управления лабораторной установкой позволяет осу­ществить необходимые переключения. Порядок выполнения работы 1.Изучить принципиальную схему лабораторной установки (рис.

1) и порядок работы с измерительными приборами. 2. Собрать лабораторную установку в соответствии со структурной схемой (рис. 2). 3. Снять амплитудную модуляционную характеристику, для чего: а) включить установку и установить режим несущей часто­ты; б) на вход модулятора подать модулирующее напряжение от звукового НЧ-генератора с частотой FΩ= 1000 Гц; в) подключить к выходу

ВЧ (антенне) измеритель коэффици­ента глубины модуляции и осциллограф; г) к измерителю коэффициента глубины модуляции (гнездо "Выход огибающей") подключить измеритель коэффициента нели­нейных искажений; д) увеличивая амплитуд модулирующего напряжения UΩ от "0" до появления перемодуляции сигнала, измерить коэффициент глубины модуляции m; е) результаты измерений занести в табл. 1. ж) по данным табл.

14. Поясните особенности базовой модуляции. Приложение 1. ВИДЫ И АНАЛИЗ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ Радиочастотные колебания, создаваемые радио­передатчиком и излучаемые его антенной в виде электромагнит­ных волн, используются для передачи информации потому, что они легко распространяются на большие расстояния. Сообщения, которые необходимо передавать, чаще всего пред­ставляют собой низкочастотные колебания. Так, механические ко­лебания звука, преобразованные микрофоном в электрические,

представляют собой колебания низкой частоты. Такие колебания не могут распространяться на большие расстояния. Поэтому спектр низкочастотного сигнала необходимо перенести в область радиочастот. Для этого необходимо осуществить управление ими. Процесс управления колебаниями радиочастоты с помощью ко­лебаний низкой частоты называется модуляцией. Модуляция осуществляется с помощью специального устройст­ва, называемого модулятором. На один вход модулятора подается напряжение радиочастоты, на другой — низкочастотный

переда­ваемый сигнал. На выходе модулятора получается модулирован­ное колебание. Радиочастотные колебания, осуществляя перенос сигнала, сох­раняют его свойства. Они называются несущими. Радиочастотные колебания характеризуются тремя параметра­ми: амплитудой, частотой и фазой. Они связаны соотношением i = IHcos(ωt + φ). Для осуществления модуляции необходимо изменять во вре­мени один из параметров радиочастотного колебания

в соответст­вии с передаваемым сигналом. В зависимости от того, какой из параметров радиочастотного колебания изменяется, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию. При работе передатчика в импульсном режиме для осуществ­ления модуляции изменяется один из параметров импульсов. Та­кая модуляция называется импульсной. Для передачи телеграфных сигналов изменяют один из пара­метров радиочастотных колебаний в соответствии

с телеграфным кодом. Радиотелеграфную модуляцию называют манипуляцией. Различают соответственно манипуляцию амплитудную, частотную и фазовую. Амплитудной модуляцией называется процесс изменения амп­литуды колебаний радиочастоты в соответствии с изменением амп­литуды колебаний низкой частоты передаваемого сигнала. Передаваемое колебание, например речь, музыка, является сложным колебанием.

И его можно рассматривать как сумму простых гармонических составляющих колебаний различных амп­литуд, частот и фаз. Для простоты анализа рассмотрим модуляцию одним тоном частоты Ω, т. е. когда перед микрофоном звучит однотонное коле­бание одной частоты. График его можно представить в виде гар­монического (синусоидального или косинусоидального) колеба­ния, как показано на рис. 1, а аналитически записать выражени­ем uΩ=UΩ cos Ωt.

При амплитудной модуляции по закону измене­ния модулирующего колебания, в данном случае по закону cos Ωt, должна изменяться амплитуда тока радиочастоты. Это означает, что во время положительного полупериода звукового колебания амплитуда радиочастотного тока возрастает (точки 2—4 на рис. 1), а во время отрицательного полупериода — уменьшается (точки 4—6 на рис. 1). Рис. 1. Временная диаграмма амплитудно-модулированных колебаний

Изменение амплитуды радиочастот­ных колебаний математически можно выразить следующим обра­зом. Уравнение тока в антенне или в выходной цепи модулируе­мого каскада до модуляции имеет вид i = IНЕСсоsωHt. Это колебание называется несущим. В процессе модуляции амплитуда тока IНЕС получает приращение ΔIНЕС, причем это приращение изменяется по закону изменения модулирующего сигнала ΔIНЕС cos Ωt.

Рис. 2. Графики амплитудно-модулированных при различной глубине модуляции: m <1(a), m=1(б), m>1(в,г) Тогда выражение тока радиочастоты при модуляции принимает вид i = ( IНЕС + ΔIНЕС cos Ωt) соsωHt. Выполняя дальнейшее преобразование выражения тока моду­лированных колебаний, получаем i = IНЕС ( 1 + ΔIНЕС / IНЕС cos Ωt) соsωHt =

IНЕС ( 1 + m cos Ωt) соsωHt . Отношение приращения амплитуды тока несущей частоты при модуляции ΔIНЕС к его значению до модуляции IНЕС обозначают буквой m и называют коэффициентом глубины модуляции или глу­биной модуляции. Рис.3. Спектр частот при амплитудной модуляции Значение коэффициента глубины модуляции m зависит только от амплитуды модулирующего колебания. Например, при передаче речи или музыки — от громкости звука.

При линейной модуляции коэффициент m прямо пропорционален амплитуде напряжения мо­дулирующего сигнала m= aUΩ, где a — коэффициент пропорцио­нальности. На рис. 2 приведены временные диаграммы амплитудно-модулированных колебаний при различных коэффициентах модуляции m. При m = 0 модуляции нет. При m = 0,5 (50%) ампли­туда напряжения модулирующих колебаний такова, что вызывает изменение амплитуды радиочастотных колебаний до половины первоначального значения.

При m = l ( UΩ= Uω) (стопроцентная модуляция) амплитуда радиочастотных колебании увеличивается в 2 раза. В этих двух случаях огибающая амплитуд модулиро­ванных колебаний точно (без искажении) воспроизводит форму сигнала. При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения сиг­нала m > l (UΩ > Uω ) получается перемодуляция. Во время отри­цательного полупериода сигнала часть колебаний радиочастоты срезается (точки 1—2 на рис.

2,б) и форма огибающей модули­рованных колебаний искажается. Возникают нелинейные искаже­ния формы передаваемого сигнала. Следовательно, для осуществ­ления амплитудной модуляции без искажений коэффициент мо­дуляции m не должен превышать единицы. Выражение для тока амплитудно-модулированных колебаний можно представить в следующем виде: I =Iа несcos ωнеct+0,5 т Iа нес cos (ωнеc + Ω) t + 0,5 т

Iа нес cos (ωнеc - Ω) t. Видно, что промодулированное по амплитуде колебание явля­ется сложным и состоит из трех составляющих: 1) колебания несущей частоты ωнеc с амплитудой Iа нес , такой же, как и до модуляции; 2) колебания с частотой ωнеc + Ω и амплитудой 0,5 Iа нес , назы­ваемого колебанием верхней боковой частоты; 3) колебания с частотой ωнеc - Ω и амплитудой 0,5

Iа нес , называе­мого колебанием нижней боковой частоты. Графически спектр колебаний, промодулированных по ампли­туде низкочастотным колебанием одной частоты Ω , можно изобра­зить, как показано на рис. 3,а. Видно, что при амплитудной мо­дуляции одним тоном частоты и спектр модулированного колеба­ния содержит три гармонических колебания — несущую и два боковых, каждое из которых находится на расстоянии,

равном частоте модулирующего колебания. Но речь или музыка являются сложными колебаниями. Их можно представить состоящими из гармонических колебании. Тог­да при модуляции сложным колебанием модулированное колеба­ние содержит столько нижних и верхних боковых составляющих, сколько их имеется в спектре модулирующего сигнала. В резуль­тате в составе модулированного колебания будет две полосы час­тот: нижняя боковая и верхняя

боковая (рис. 3,б). 1.1. Полоса частот и баланс мощностей. Общая ширина полосы частот амплитудно-модулированных колебаний равна удвоенной максимальной частоте модуляции: (ωнеc + Ω) - (ωнеc - Ω) = 2 ΩМАКС. Звуковые колебания занимают спектр частот 20 20000 Гц. Однако разборчивость речи оказывается достаточной при вос­произведении полосы частот в пределах 300 4500

Гц. При этом полоса амплитудно-модулированного колебания составит 9000 Гц. Расстояние между несущими частотами соседних радиопередатчиков в этом случае составляет 10 кГц (рис. 3,б). Ширина спектра модулирующего сигнала определяется соответствующими стандар­тами на каналы связи, вещания, передатчики и приемники. При амплитудной модуляции амплитуда тока в нагрузке не­прерывно изменяется от Iмин до IMакс. Следовательно, и режим мо­дулируемого генератора также изменяется.

В процессе амплитуд­ной модуляции различают следующие режимы работы модулируе­мого каскада: режим несущей частоты или режим молчания, когда генератор радиочастоты включен, а микрофон не включен и модуляция от­сутствует; максимальный режим или режим максимальной колебатель­ной мощности при наибольшем значении тока и максимальном коэффициенте модуляции; минимальный режим или режим минимальной мощности при наименьшем токе; режим средней мощности за период одного периода модули­рующего низкочастотного сигнала.

Для упрощения предположим, что модуляция симметричная, линейная, неискаженная осуществляется синусоидальным напря­жением. Модулированный по амплитуде ток проходит через ак­тивное сопротивление нагрузки RH или антенны Ra. В отсутствие модулирующего напряжения, т. е. в режиме мол­чания, несущее колебание создает на сопротивлении нагрузки мощность Рн=0,5I2HRH. В процессе модуляции изменяется амплитуда тока, а следова­тельно, и мощность на нагрузке: в минимальном

режиме PМИН=0,5 I2МИНRH =0,5[IH(1 – m)]2RH = Рн ( 1-m)2 , в максимальном режиме PMакс=0,5 I2МАКСRH =0,5[IH(1 + m)]2RH = Рн ( 1+ m)2. Из этих выражений видно, что при стопроцентной (m = 1) мо­дуляции мощность в максимальном режиме в 4 раза больше, чем в режиме несущей частоты. В минимальном режиме при m = 1 РМИН = Рн(1-m)2= 0. Средняя мощность РСР, выделяющаяся на нагрузке за период действия модулирующего

сигнала, складывается из мощностей несущего и двух боковых колебаний: РСР=РН – РН.Б + РВ.Б , РБ =0,5I2БRH=0,5()2RH=0,5RH=PH, PCP=PH +2PБ = 0,5I2H RH +2(0,5()2 R) = PH(1+0,5m2). Отсюда видно, средняя мощность больше мощности несущих колебаний в (1+0,5m2) раз и при 100%-ной модуляции в полтора раза больше ее: РCP= 1,5РH. Мощности РH и

PCP—это мощности за продолжительный промежуток времени, в то время как мощности РМАКС и РМИН имеют мгновенный характер. Рассматривая график спектрального состава модулированных колебаний, видим, что вся полезная информация о передаваемом сигнале содержится в боковых составляющих. А из полученных выше выражений следует, что при m = 1 мощность двух боковых частот в 2 раза меньше мощности несущей и в 8 раз меньше пи­ковой максимальной мощности.

Практически коэффициент моду­ляции т ≈ 0,3. При этом амплитуды тока боковых составляющих будут меньше и составят 0,3IH/2, т. е. уменьшатся в 1/0,3 ≈ 3,3 раза, а мощности боковых частот уменьшатся в 3,32 = 10 раз. По­этому амплитудная модуляция энергетически невыгодна. Другим недостатком амплитудной модуляции является широ­кая полоса частот, занимаемая модулированным

колебанием, она вдвое шире спектра модулирующего сигнала. Но амплитудная модуляция имеет важные достоинства, обус­ловливающие широкое применение ее в массовом радиовещании. К ним относится простота приемников для приема амплитудно-модулированных колебаний. В основном амплитудная модуляция используется в радиовеща­тельных системах длинных, средних и коротких волн, а также для передачи изображения в телевизионных передатчиках метровых и дециметровых волн.

1.2.Способы осуществления амплитудной модуляции. Анализ модулированных по амплитуде колебаний показывает, что в процессе модуляции появляются новые частоты — боковые, которых не бы­ло на входе модулирующего устройства. Новые частоты, как из­вестно, могут появиться только на выходе устройства, имеющего нелинейную вольт-амперную характеристику. Следовательно, для осуществления амплитудной модуляции необходим нелинейный элемент. Такими нелинейными элементами могут быть электрон­ные приборы, лампы, транзисторы, диоды и

др обладающие не­линейной вольт-амперной характеристикой. Для осуществления амплитудной модуляции модулирующее на­пряжение вводится в цепь питания одного или нескольких элект­родов электронного прибора. При изменении напряжения питания одного электрода модуляция называется простой или одинарной. Если же изменяется напряжение питания нескольких электродов, модуляция называется комбинированной. В зависимости от того, на какой электрод подается модулирующее напряжение,

различа­ют следующие виды амплитудной модуляции: сеточную, базовую, анодную, коллекторную и анодно-экранную. 2. СЕТОЧНАЯ МОДУЛЯЦИЯ Сеточной модуляцией называется управление колебаниями радио­частоты изменением напряжения на управляющей сетке лампы по закону изменения модулирующего сигнала. Рис.4. Схема модуляции на сетку смещения Модулирующее напряжение можно вводить в цепь любой сет­ки—управляющей, экранирующей или защитной. При модуляции на управляющую сетку различают две разновидности модуляции:

а) изменением напряжения смещения и б) изменением напряже­ния возбуждения, т. е. усилением модулированных колебаний. Модуляция изменением смещения на управляющей сетке лам­пы осуществляется включением модулирующего напряжения в цепь управляющей сетки последовательно с напряжением смеще­ния, как показано на рис. 4. В результате такого включения напряжений в цепи сетки будут действовать три напряжения: пос­тоянное напряжение смещения ЕC, напряжения возбуждения ра­диочастоты uC=UCcosωt и модулирующее напряжение

звуковой частоты uΩ =UΩcosωt. Рис.5. Графики напряжений и токов при сеточной модуляции Рассмотрим физические процессы в генераторе при модуляции на сетку смещением. Сначала после включения источника питания в цепь сетки включается напряжение смещения ЕC. Значение его выбирают таким, чтобы исходная рабочая точка находилась на нелинейном участке характеристики

лампы Ia = f(eC) (в точке 0 на рис. 5). Затем включается напряжение возбуждения несущей частоты uC= UC cosωt (точка 1 на оси времени на рис. 5). При действии в цепи сетки двух напряжений в цепи анода ток будет протекать в виде периодической последовательности импульсов с постоянной амплитудой и углом отсечки θ = 90°. В составе этих импульсов имеется первая гармоника анодного тока

Ia1. Затем включается модулирующее напряжение uΩ =UΩcosωt (точка 2). Частота модулирующего напряжения Ω во много (десятки тысяч раз) меньше несущей частоты ω. Поэтому мгновенное значение модулирующего напряжения по сравнению с несущей изменяется настолько медленно, что за один период несущей его можно счи­тать неизменным. Это дает возможность еще считать, что моду­лирующее напряжение по отношению к напряжению несущей час­тоты

проявляется как постоянное напряжение смещения. Отсюда и название: модуляция изменением напряжения смещения. Но это напряжение смещения изменяется по звуковому закону. В даль­нейшем рабочая точка перемещается по характеристике лампы в соответствии с изменением модулирующего напряжения. Таким образом, в результате изменения напряжения смещения амплитуда импульсов анодного тока, угол отсечки θ , а следова­тельно, и амплитуда первой гармоники анодного тока изменяются по

звуковому закону, вследствие чего и осуществляется амплитуд­ная модуляция (точки 3, 4, 5 и 6 на рис. 5). 3. МОДУЛЯЦИЯ НА БАЗУ ТРАНЗИСТОРА В транзисторных каскадах передатчиков одуляция на базу мо­жет осуществляться как изменением напряжения смещения, так и изменением напряжения возбуждения. Рис.6. Схема базовой модуляции смещением Для осуществления базовой модуляции смещением модули­рующее напряжение вводится в цепь базы транзистора последова­тельно с напряжением смещения и напряжением возбуждения,

как показано на рис. 6. Так как для осуществления модуляции не­обходим нелинейный элемент, то напряжение смещения выбира­ется таким, чтобы рабочая точка в исходном режиме находилась левее начала характеристики (точка А на рис. 7,а). При этом в цепи базы протекает незначительный отрицательный ток IБ 0 (рис. 7,а). Транзистор закрыт, и в цепи коллектора ток не про­текает. Рис.7.Физические процессы при модуляции на базу смещением ( а,б,в)

Рис.7. Физические процессы при модуляции на базу смещением (г, д, е) Если в цепи базы кроме напряжения смещения и напряжения возбуждения включено и звуковое напряжение uΩ =UΩcosωt, то результирующее напряжение еБ = ЕБ 0 + UΩcosωt + Uω cos ωt . Так как напряжение звуковой частоты изменяется значительно медлен­нее, чем напряжение возбуждения,

то напряжение звуковой частоты проявляется по отношению к напряжению возбуждения, как напря­жение смещения. Поэтому при модуляции рабочая точка будет пере­мещаться по характеристике, как показано на рис. 7,г (точки А— A'). В результате изменяются амплитуда импульсов коллекторно­го тока и угол нижней отсечки θ (рис. 7,д). Поэтому в нагрузоч­ном колебательном контуре амплитуда тока будет изменяться по закону звуковой частоты (рис. 5.9,е). Ток в цепи базы во время положительного полупериода звукового

напряжения протекает в виде импульсов меняющейся полярности. Во время отрицательного полупериода ток в цепи базы—постоянный отрицательный. Модуляционные характеристики коллекторного тока при базо­вой модуляции приведены на рис. 8. Зависимость первой гар­моники коллекторного тока IK1 от напряжения смещения EБ назы­вается статической модуляционной характеристикой.

Она имеет нижний и верхний изгибы за счет изгибов статических характери­стик транзистора. На основном рабочем участке статические мо­дуляционные характеристики практически прямолинейны. Рис. 8. Модуляционные ха­рактеристики коллекторного тока при базовой модуляции смещением Рабочую точку в режиме мол­чания надо выбирать на середине прямолинейного участка модуля­ционной характеристики, что дос­тигается выбором соответствующе­го напряжения смещения

ЕБ. В ре­жиме максимальной мощности ге­нератор работает в оптимальном режиме (точка Iк1 макс на рис. 8). Как видно из характеристик, моду­лируемый генератор при базовой модуляции все время работает в недонапряженном режиме, дости­гая оптимального режима только в моменты максимумов звукового напряжения. Поэтому КПД кол­лекторной цепи генератора при базовой модуляции смещением низкий, что ограничивает применение этого вида модуляции. Базовая модуляция находит применение в качестве элемента комбинированной

коллекторной модуляции. При базовой модуляции возбуждением по закону изменения модулирующего напряжения изменяется амплитуда напряжения в цепи базы, а напряжение базового смещения и коллекторное на­пряжение не изменяются. При этом происходит усиление модули­рованных колебаний. Поэтому она возможна в режимах колеба­ний класса В, так и в режиме колебаний класса А. Однако режим колебаний класса А из-за низкого КПД применять нецелесообразно.

Достоинство базовой модуляции возбуждением в том, что мо­дуляционная характеристика при соответствующем выборе режи­ма генератора может быть более линейной, чем при базовой мо­дуляции смещением. Кроме того, при выборе угла отсечки θ =90° можно получить углубление модуляции, то есть в коллекторной цепи 100%-ную модуляцию при глубине модуляции в базовой цепи меньше единицы. 4. УСИЛЕНИЕ МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ В тех радиопередающих устройствах, в которых сеточная модуля­ция

осуществляется в одном из промежуточных каскадов, после­дующие каскады работают в режиме усиления модулированных колебания. Таком принцип построения передающего устройства используется при построении маломощных связных и вещательных передатчиков. Для усиления модулированных колебаний используются гене­раторы с внешним возбуждением, на управляющую сетку лампы которых подастся промодулированное по амплитуде напряже­ние uВХ =UВХ.НЕС (1+mВХcosΩt)cosωН. При неискаженном усилении амплитуда первой гармоники

вы­ходного тока IВЫХ1 = IВЫХ.НЕС(1+mВЫХcosΩt) . Неискаженное усиление модулированных колебаний просто осуществляется при работе каскада в режиме класса А. Однако при m =1 неискаженное усиление модулированных колебании можно по­лучить и при угле отсечки анодного тока θ =90°. Рис. 9. Углубление модуляции в усилителе модулирован­ных колебаний Статические модуляционные характеристики усилителя модули­рованных колебаний

Ia1=f(UC) или Iа0=f(UC)оказываются ли­нейными только при работе генератора в недонапряжённом режи­ме и имеют изгиб при переходе генератора в перенапряженный режим. А поскольку усилитель модулированных колебаний дол­жен работать в недонапряженном режиме, то его энергетические показатели и параметры качества практически такие же, как и при модуляции изменением напряжения смещения. Поэтому такой режим называют модуляцией на управляющую сетку изменением амплитуды напряжения возбуждения.

При выборе угла отсечки анодного тока θ < 90° статическая модуляционная характеристика Ia1=f(UC) начинается правее на­чала координат. В таком режиме возможно углубление модуля­ции: mвых > mвх (рис. 9). С уменьшением θ углубление возрас­тает, однако при этом возрастают нелинейные искажения. Усиление модулированных колебаний в режиме с углом отсеч­ки θ = 90° широко применяют в однополосных

передатчиках. Прин­ципиальная схема усилителя амплитудно-модулированных колеба­ний (УМК) приведена на рис. 9. Поскольку на вход УМК по­даются радиочастотные колебания с изменяющейся амплитудой, схемы УМК не отличаются от схем обычных генераторов с внеш­ним возбуждением. Усилители модулированных колебаний целесообразно исполь­зовать в мощных многокаскадных передатчиках, в которых приме­нять сеточную модуляцию в мощном выходном каскаде неэконо­мично.

В таких передатчиках можно, осуществив неглубокую мо­дуляцию в одном из маломощных промежуточных каскадов, путем углубления в последующих усилителях модулированных колебании довести ее до нормальной.