3655 ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРОВ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: экспериментальное исследование основных свойств детектора амплитудно-модулированных сигналов.

 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

 

На каждом лабораторном макете  исследуют два типа детекторов: диодный детектор последовательного типа (одинаковый во всех  макетах, расположенный в верхней части) и детектор активного типа на транзисторах  или микросхемах (выполненный в нижней части макета).

Электрические схемы детекторов представлены на лицевой панели макетов и для удобства измерений совмещены с элементами коммутации цепей и сигналов.

Диодный детектор АМ-сигналов. Электрическая схема детектора приводится на рис. 1. На лицевой панели макета расположены высокочастотное гнездо Гн1 для подключения сигнала от ГСС и измерительные гнезда:  Гн2 – для измерения высокочастотного напряжения на контуре, Гн3 – для измерения постоянного напряжения на нагрузке детектора, Гн4 – для измерения и наблюдения на осциллографе низкочастотного сигнала на выходе детектора.

Назначение переключателей П1-П5.. Тумблер П1 предназначен для отключения детектора от входного контура. Переключатель П2 позволяет изменять резистивную нагрузку детектора, выполняя ее близкой к оптимальной по критерию минимума нелинейных искажений (R2), большей (R1) или меньшей (R3), чем необходимо. Кроме того, переключатель П2 при нажатой кнопке 4 позволяет подключать к диоду другой вид нагрузки – так называемую раздельную нагрузку, снижающую опасность нелинейных искажений при глубокой модуляции и относительно низком входном сопротивлении усилителя звуковой частоты (УЗЧ).

Переключатель П3 позволяет изменять емкостную нагрузку от близкой к оптимальной (С2) до большей (С1) или меньшей (С3), чем требуется.

Тумблер П4 предназначен для подключения эквивалента входного сопротивления УЗЧ (R6, достаточно высокого, или R7, недопустимо низкого для случая работы с простой нагрузкой – R2, С2).

Примечание. Переключатели П2 и П3 – независимые, для отключения цепи необходимо повторное нажатие кнопки.

 

ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

СХЕМЫ ДЕТЕКТОРА

 

1. Контур – Ск = 510 пФ, С¢к = 15000 пФ, Lк = 250 мкГн. Рабочая частота около 450 кГц.

2. Диод – Д9Б.

3. Элементы нагрузки детектора:

простой – R1 = 560 кОм, R2 = 12 кОм, R3 = 510 Ом;

С1 = 0,15 мкФ, С2 = 0,01 мкФ, С3 = 270 пФ;

разделенной – R4 = 10 кОм, С4 = 4700 пФ, С5 = 1800 пФ, R5 = 3,9 кОм.

4. Эквивалент входного сопротивления УЗЧ R6 = 120 кОм,   R7 = 1,2 кОм, С6 = 20 мкФ.

 

ЗАДАНИЕ НА ИССЛЕДОВАНИЕ

 

1. Проверка работоспособности диодного детектора

Проверить расчетным путем выполнение условий отсутствия нелинейных искажений огибающей АМ-сигнала при детектировании при постоянной времени нагрузки детектора R2, С2 и при эквиваленте входного сопротивления УЗЧ R6, а также невыполнение этих условий при  R2, С1 и R7. Частота модуляции 1000 Гц, глубина модуляции      m = 0,8.

Постоянная времени нагрузки детектора должна удовлетворять условию:

.

 

Входное сопротивление УЗЧ при простой нагрузке детектора должно соответствовать  требованию:

 

.

 

Пользуясь тумблерами П1, П4 – П5, замкнуть электрические цепи, обеспечивающие работу детектора без искажений выходного сигнала при простой нагрузке R2, С2 и входном сопротивлении УЗЧ R6.

На вход детектора (гнездо Гн1) подать сигнал от ГСС с частотой около 450 кГц с уровнем 100 мВ при глубине модуляции m = 0,3 с частотой 1000 Гц.

Подключив высокочастотный милливольтметр к контуру (Гн2), а осциллограф – к нагрузке детектора (Гн4), произвести настройку частоты входного сигнала на частоту контура по максимуму показаний милливольтметра.

Примечание. Настройку на резонанс контура проводить при немодулированном сигнале. Контролировать правильность работы с ГСС.

Регулируя амплитуду входного сигнала, установить напряжение на контуре не менее 1 В.

Убедиться по показаниям осциллографа в детектировании сигнала, установить напряжение на контуре не менее 1 В.

Убедиться по показаниям осциллографа в детектировании сигнала без нелинейных искажений. Изменяя глубину модуляции входного сигнала от 0 до 100 %, проверить визуально по осциллографу наличие или отсутствие существенных нелинейных искажений выходного сигнала.

Зарисовать осциллограмму выходного сигнала при  m = 0,6. При выполнении следующих пунктов задания сравнивать сигналы с искажениями и измененной амплитудой с неискаженным сигналом как эталонным.

 

2. Исследование динамического диапазона детектора

Исследовать влияние сопротивления нагрузки на форму детекторной  характеристики и необходимый для работы без искажений минимальный уровень АМ-сигнала на контуре.

Снять детекторную характеристику, представляющую зависимость постоянного напряжения на нагрузке (Гн3) от уровня немодулированного сигнала на входе детектора (Гн2) при сопротивлении нагрузки Rн = R2. Уровень сигнала (Гн2) изменять от 0 до 1 В, причем до 250 мВ с интервалом не более 50 мВ. Измерения проводить вольтметром В7-20 или ВК7-9. Повторить измерения для других сопротивлений нагрузки (резисторы R1 и R3). Построить характеристики, объяснить влияние Rн на линейность детекторной характеристики. Определить минимальный уровень сигналов для работы с малыми нелинейными искажениями при глубине модуляции m = 0,8.  Вычислить коэффициент передачи детектора по модулирующему сигналу при R2.

 

3. Исследование нелинейных искажений сигнала в детекторе

а) Исследовать нелинейные искажения, связанные с инерционностью нагрузки детектора.

С помощью осциллографа исследовать визуально характер и величину искажений огибающей при детектировании АМ-сигнала. При этом включить цепь нагрузки детектора, состоящую из R2 и С1, постоянная времени которой выбрана значительно большей, чем период модуляционного сигнала.

Зарисовать осциллограммы при разных значениях глубины модуляции (при m = 0,2 и m = 0,9). Уровень сигнала на контуре          Uк = 1 В, эквивалент входного сопротивления УЗЧ – резистор R6.

Повторить исследование искажений при нагрузке R1, С1. Объяснить их характер.

б) Исследовать нелинейные искажения, связанные с неравенством нагрузки детектора по постоянному и переменному токам.

Исследование проводится с помощью осциллографа.

С этой целью включить цепи детектора, обеспечивающие работу без нелинейных искажений (см. п. 1). Наблюдая осциллограмму выходного сигнала, убедиться в отсутствии искажений.

Включить в эквиваленте входного сопротивления УЗЧ резистор R7. Посмотреть осциллограммы выходного напряжения при различной глубине модуляции (m = 0,3, m = 0,6 и m = 0,9). Зарисовать осциллограммы при нелинейных искажениях сигнала. Объяснить зависимость нелинейных искажений от глубины модуляции и величины эквивалента входного сопротивления УЗЧ.

в) Определить действие разделенной нагрузки детектора на наличие нелинейных искажений, связанных с подключением к детектору УЗЧ с недостаточно высоким входным сопротивлением (эквивалент R7).

Подключить к детектору разделенную нагрузку, поставив переключатель П2 в положение 4 и отключив резисторы и конденсаторы простой нагрузки, тумблер П4 установить в положение 2. Снять осциллограммы выходного сигнала детектора при резисторе в цепи эквивалента входного сопротивления УЗЧ R7 и глубине модуляции    m = 0,3, m = 0,6 и m = 0,9.

 

4. Измерение основных параметров детектора

а) Измерить коэффициент передачи детектора по сигналу модуляции. Включается модуляция с m = 0,5. Выходное напряжение модулирующей частоты UmW измеряется на нагрузке детектора (Гн3) высокочастотным милливольтметром. Вычислить коэффициент передачи детектора ().

б) Измерить входное сопротивление детектора.

Входное сопротивление измеряется косвенным методом по эффекту шунтирования контура, связанному с расширением полосы пропускания при подключении детектора.

Включить в схему детектора резистор R2 и конденсатор С2, а также резистор в эквиваленте входного сопротивления УЗЧ R6, соответствующие работе детектора без нелинейных  искажений. Убедиться в нормальной работе детектора.

Тумблером П1  отключить детектор от контура и измерить (по уровню 0,707) полосу пропускания контура (Гн2), подавая немодулированный сигнал на вход Гн1. Напряжение сигнала на контуре должно быть около 1 В. Подключить детектор к контуру и  вторично измерить полосу пропускания. Вычислить величину входного сопротивления детектора Rвх и сравнить ее с параметрами резистора в нагрузке детектора (, где Ск – емкость контура, ∆Пк – изменение полосы пропускания контура).

Изменив амплитуду сигнала на входе в два раза, вновь измерить полосу и убедиться, что полоса пропускания контура не  изменяется, т.е. входное сопротивление линейного детектора от уровня сигнала не зависит.

в) Измерить коэффициент фильтрации Кф детектора по несущей частоте.

Измерения выполнять в цепях детектора с простой нагрузкой R2, С2 и  R2, С3 при включенном эквиваленте УЗЧ R6 при подаче на вход Гн1 немодулированного сигнала с уровнем 1 В.

 

5. Сопоставить результаты эксперимента с предполагаемыми, сделать выводы, представить преподавателю графики и осциллограммы.

ДЕТЕКТОРЫ АКТИВНОГО ТИПА

Детектор на основе операционного усилителя

с отрицательной обратной связью

 

Для обеспечения малых нелинейных искажений амплитуда сигнала на входе обычного диодного детектора должна быть не менее 1 В. В большинстве приемников оконечный каскад УПЧ обеспечивает максимальную амплитуду напряжения на входе детектора не более 3-5 В, поэтому динамический диапазон сигналов на входе оконечного каскада УПЧ весьма  мал (10-14 дБ). Это предъявляет жесткие требования к системе АРУ. Кроме того, из-за малого коэффициента передачи диодного детектора и сравнительно большой амплитуды минимального сигнала на его входе необходим УПЧ с большим коэффициентом усиления.

Преодолеть указанные недостатки можно с помощью детектора на основе операционного усилителя ОУ с отрицательной обратной связью. Схема такого детектора показана на рис. 2.

Сигнал промежуточной частоты, снимаемой с УПЧ, подается на инвертирующий вход ОУ, усиливается и поступает на диод VD. В результате к диоду прикладываются усиленные входной сигнал и часть выпрямленного напряжения, а также напряжения на нагрузке.

Анализ работы детектора при линейной аппроксимации характеристики диода проводится при следующих условиях, обычно реализуемых на практике:

1. Напряжение на входе ОУ при отсутствии входного сигнала близко к нулю.

2. Коэффициент усиления ОУ с разомкнутой петлей обратной связи  k ³ 100.

3. Коэффициент передачи цепи обратной связи b > 0,1.

Из рис. 2 при можно получить:

 

,                                   (1)

 

,                             (2)

где .

Используя выражения (1) и (2), а также соотношение для детектора (диодного) нелинейной аппроксимации вольт-амперной характеристики, можно получить следующие расчетные формулы.

Коэффициент передачи детектора для немодулированного сигнала

,                                  (3)

где Uдо – пороговое напряжение на диоде, при котором возникает ток диода.

Следует отметить, что из-за особенностей работы ОУ с отрицательной обратной связью напряжение на выходе ОУ при отсутствии входного сигнала стремится к Uдо, т.е. фактически диод работает с прямым начальным смещением, поэтому Uдо » 0.

Анализ показывает, что детектор на ОУ с ООС можно заменить эквивалентным диодным детектором с усилителем выходного

сигнала с коэффициентом усиления . При этом ко входу эквивалентного диодного детектора подводится увеличенный в k  раз входной сигнал (), а эквивалентная нагрузка детектора по постоянному току увеличивается в    (1+ kb) раз:

 

,                                      (4)

где .

Максимальная амплитуда детектируемого сигнала определяется выражением

,            (5)

где U12 max – максимальное напряжение на дифференциальном входе ОУ. Для ОУ можно принять U12 max = 100 мВ. С учетом того, что Uдо = 0,

 

.                              (5а)

 

Динамический диапазон детектора на ОУ

 

,                     (6)

где Uд min – минимальная амплитуда сигнала на диодном детекторе при заданных нелинейных искажениях.

Принимая Uд min = 1 В, k = 100, U12 max = 100 мВ, b = 1, из (6) получаем

 

.

 

Параметры детектора на ОУ в значительной мере определяются глубиной отрицательной обратной связи. Из (3) и (6) видно, что при глубокой ООС (b = 1) коэффициент передачи близок к единице, а динамический диапазон достигает максимального значения. Если большого динамического диапазона не требуется, можно уменьшить b, при этом возрастает коэффициент передачи, однако увеличивается и минимальная амплитуда входного напряжения детектора.

 

Детектор на основе дифференциального усилителя

с отрицательной обратной связью

 

Второй разновидностью схем, позволяющих преодолеть перечисленные недостатки обычных диодных детекторов, являются схемы детекторов на основе дифференциального усилителя (ДУ). Одна из таких схем приводится на рис. 3.

Непосредственное детектирование осуществляется в цепях выходного эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе VT1.

ДУ на микросхеме К175УВ4 предварительно усиливает детектируемый сигнала, благодаря чему эффективное детектирование начинается уже при напряжении входного сигнала 5-10 мВ.

Используемая отрицательная обратная связь по постоянному напряжению позволяет увеличить протяженность линейного участка детекторной характеристики и выбрать необходимый коэффициент передачи детектора.

Обратная связь заводится с выхода детектора на базу транзистора дифференциальной пары через резистор Rос, с помощью которого можно регулировать глубину отрицательной обратной связи.

Для коэффициента передачи можно получить следующее выражение:

,

где – коэффициент усиления схемы без обратной связи с учетом передачи эмиттерного повторителя;

S2 – крутизна передаточной характеристики дифференциального каскада;

Rк – сопротивление нагрузки ДУ;

b - параметр обратной связи.

Детекторная характеристика ограничивается сверху выходным напряжением постоянного тока

 

.

 

При большом входном сигнале импульсные токи транзистора VT1 достигают значительных величин, поэтому в схеме детектора необходимо применять развязывающие фильтры по цепям питания.


ЗАДАНИЕ НА ИССЛЕДОВАНИЕ

 

1. Исследовать динамический диапазон детекторов на ДУ и ОУ.

Снять детекторную характеристику. Частота несущей 465 кГц. Глубина модуляции m = 0,8. Частота модуляции 1000 Гц. Коэффициент передачи детектора – максимальный (движок потенциометра в цепи обратной связи усилителя – в крайнем правом положении).

Изобразить графически детекторную характеристику и определить:

а) минимальный и максимальный входной сигналы при условии линейности детекторной характеристики;

б) динамический диапазон входных сигналов (в линейной части детекторной характеристики);

в) сравнить динамические диапазоны полупроводникового диодного детектора и детектора на интегральной микросхеме.

 

2. Исследовать влияние коэффициента передачи детектора на динамический диапазон.

Изменяя глубину отрицательной обратной связи усилителя с помощью резистора Rос (движок Rос в двух крайних и среднем положениях), измерять динамический диапазон по входу детектора при различных коэффициентах передачи детектора.

 

3. Исследовать зависимость динамического диапазона детектора от частоты.

Снять детекторные характеристики на частотах 100, 900 и 2000 кГц при минимальном и максимальном коэффициентах передачи и оценить изменения динамического диапазона входных сигналов от частоты.