Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет им. А. Н. Туполева(КНИТУ-КАИ)
Институт Радиоэлектроники и Телекоммуникации (ИРЭТ)
Кафедра Радиоэлектроники и Квантовых Устройств (РЭКУ)
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
«ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО АВТОГЕНЕРАТОРА(ЧМАГ)»
Лабораторная работа № 306
Составили:
Профессор д.ф.-м.н. Шахмаев М.М.
Ст.преподаватель каф. РЭКУ Гимадеева Л.А.
Макетирование, настройка
и оформление документации
студент гр. 5505 Бизяев А.В.
студент гр. 5503 2009г. Ахметов Т.А.
студенты гр. 5503 2011г (осень) Даутов А.Л.
Гайнанов Р.Э.
студенты гр. 5201 – 2011г. Назарьев П.Н.
Закиров И.Р.
Музафарзода И.М.
Казань2011
Цель работы
Исследование и изучение схем частотной модуляции.
1. Основные понятия и определения
В технике радиосвязи и радиовещания частотная модуляция (ЧМ) получила всеобщее признание. Частотная модуляция позволяет получить выигрыш в помехоустойчивости за счет использования широкой полосы частот при сравнительно несложной аппаратуре и существенных эксплуатационных преимуществах. Она применяется при УКВ вещании, в системах УКВ связи (в том числе с подвижными объектами),на большинстве радиорелейных линий связи и линий связи через искусственные спутники Земли.
Любая величина (ток, напряжение, напряженность поля), гармонически изменяющаяся во времени, описывается выражением
(1.1)
где - амплитуда колебаний,
ω- круговая (циклическая) частота колебаний,
- начальная фаза колебаний,
- мгновенное значение фазы колебаний
При постоянных значениях амплитуды , частоты , фазы колебание, определяемое соотношением (1.1) не может быть использовано для передачи информации. При изменении ,, в соответствии с сигналом информации передача сообщения возможна, в этом случае называют модулированным высокочастотным сигналом, а сигнал информации - модулирующим сигналом.
При изменении частоты колебаний по закону модулирующего сигнала получаем частотно-модулированное колебание (ЧМК). В самом общем виде ЧМК описывается уравнением вида
(1.2)
где
- частота колебаний при отсутствии модулирующего сигнала:
- функция, определяющая частотную модуляцию.
Для модулированного колебания называется мгновенным фазовым углом. Для получения неискаженной передачи сигнала мгновенная фаза должна быть медленно меняющейся функцией по сравнению с функцией .
Физический смысл этого ограничения заключается в том, что за период высокочастотного колебания модулирующий сигнал не должен сильно измениться (практически модулирующий сигнал за время должен остаться постоянным).
Известно, что между фазой колебания и круговой частотой имеется следующая дифференциальная связь
(1.3)
При частотной модуляции частота колебаний должна изменяться по закону модулирующего сигнала, т.е.
(1.4)
где - коэффициент пропорциональности,
- модулирующий сигнал.
В этом случае в соответствии с (1.4) и (1.3) выражение (1.2) для ЧМК будет иметь вид
(1.5)
Если модулирующий сигнал гармонический (), то мгновенная частота колебаний будет иметь вид
, а уравнение для ЧМК согласно (1.5)
(1.6)
В этом уравнении
- девиация частоты, пропорциональная амплитуде модулирующего сигнала, т.е.
- амплитуда модулирующего колебания.
Отношение определяет девиацию фазы при частотной модуляции. Это отношение называют индексом частотной модуляции и обозначают буквой , стало быть
2. Спектр частотномодулированных колебаний (ЧМК)
При анализе спектра принимаем, что модулирующий сигнал изменяется по косинусоидальному закону. Тогда, считая функцией, описывающей напряжение, получим
Пользуясь формулами тригонометрии можно записать (2.1) в виде
При разложении и в ряд Фурье получим, что коэффициенты ряда Фурье представляют собой функции Бесселя первого рода n-го порядка, аргументом которых является индекс модуляции .После несложных, но громоздких преобразований получим
Из равенства (2.2) следует, что ЧМ колебания представляют собой сумму бесконечного числа гармонических составляющих, амплитуды которых определяются произведением амплитуды высокочастотного колебания и соответствующей функции Бесселя для заданных и .
Однако, следует учесть, что функции Бесселя при фиксированном быстро убывают с ростом . Если ограничиться боковыми составляющими, амплитуды которых не меньше 10% от амплитуды немодулированного колебания (мощности их будут не меньше 1%), то ширину полосы частот занимаемую ЧМК можно подсчитать по приближенной формуле
(2.3)
Если ограничиться боковыми составляющими, амплитуды которых не меньше 1% от амплитуды немодулированного колебания (мощность которых будет не меньше 0,01% от мощности немодулированного колебания), то ширину полосы частот занимаемую ЧМК можно подсчитать по приближенной формуле
(2.4)
Физически наличие большого числа спектральных составляющих в ЧМК объясняется тем, что благодаря модуляции колебания в течение каждого периода перестают быть гармоническими.
3. Прямой метод получения ЧМК
Существуют два метода осуществления частотной модуляции:
-Прямой или непосредственный метод - в этом случае модулирующий сигнал воздействует непосредственно на частоту автогенератора путем изменения реактивных параметров колебательного контура автогенератора - емкости, индуктивности или обеих вместе. Схемы непосредственной ЧМ отличаются простотой и удобством настройки.
Основной их недостаток - ухудшение стабильности средней (несущей) частоты по сравнению со стабильностью частоты немодулированного автогенератора.
- Косвенный метод основан на преобразовании фазово-модулированных колебаний в частотно-модулированные. Этот метод позволяет улучшить стабильность средней частоты потому, что модулируется проходящий сигнал. Поэтому задающий автогенератор может быть кварцованный. Однако, девиация частоты в модулирующем каскаде получается незначительной и поэтому требуется большая кратность умножения частоты. В связи с этим косвенная ЧМ находит применение только в служебной связи.
Рассмотрим подробнее непосредственный метод получения ЧМК. Прямой метод получения частотной модуляции в генераторе с самовозбуждением основан на изменении подключенной к его контуру реактивности в качестве которой в нашем случае применяется емкость запертого p-n-перехода. Дифференциальная емкость запертого одного p-n-перехода определяется выражением
(3.1)
где - емкость p-n-перехода в рабочей точке; - емкость р-n-перехода при отсутствии внешних напряжений ()
- контактная разность потенциалов, для кремния
- напряжение смещения на p-n-переходе
- мгновенное значение переменного напряжения на р-n-переходе.
(для примененного в данной установке варикапа).
При встречно-последовательном соединении (ВПС) двух емкостей p-n-переходов эквивалентная их емкость аппроксимируется выражением
(3.2)
, -емкости встречно-последовательно соединенных p-n-переходов в рабочей точке.
Известно, что при частотной модуляции генератора с самовозбуждением всегда возникают нелинейные искажения и нелинейное смещение центральной частоты. Нелинейные искажения вызываются тем, что частота колебаний является нелинейной функцией реактивностей задающего контура, и, кроме того, величина управляемой реактивности нелинейно зависит от управляющего сигнала.
Причиной нелинейного смещения центральной частоты также является нелинейность модулятора, вследствие которой среднее значение эквивалентной реактивности модулятора является функцией амплитуд модулирующего сигнала и высокочастотных колебаний.
Нелинейные смещения центральной частоты и модуляционная характеристика могут быть найдены при совместном исследовании автогенератора и модулятора. При частотной модуляции генератора с самовозбуждением, модулятором является (в нашем случае) емкость p-n-перехода с устройством подачи постоянного и модулирующего напряжений.
Выражения (3.1) и (3.2) показывают, что аппроксимация емкости для отдельного р-n-перехода является частным случаем аппроксимации эквивалентной емкости ВПС p-n-переходов (т.е.).
В случае (3.2) зависимость эквивалентной емкости от мгновенного значения высокочастотного напряжения резко ослаблена, а это значит, что при использовании в качестве модулятора ВПС емкостей p-n-переходов форма колебаний будет близка к гармонической и нелинейное смещение средней частоты, зависящее от амплитуды ВЧ колебаний, резко уменьшится.
Теоретически модуляционная характеристика и нелинейные смещения средней частоты могут быть найдены при решении нелинейного дифференциального уравнения, описывающего процессы в схеме автогенератора с нелинейной емкостью p-n-перехода, вида
(3.3)
где - мгновенное значение относительного высокочастотного колебания.
Решая дифференциальное уравнение (3.3) получим модуляционную характеристику
(3.4)
- относительное нелинейное смещение средней частоты от
При модуляции моногармоническим сигналом
(- относительная амплитуда модулирующего сигнала)
получим
где - относительная величина нелинейного смещения средней частоты, зависящая от амплитуды модулирующего сигнала,(для примененного в данной установке варикапа)
- относительные амплитудные значения девиации частоты соответствующей гармоники.
Из (3.5) коэффициент нелинейных искажений определяется выражением
; ; (3.5)
(3.6)
4. Свойства лямбда-диодов. Режимы работы
В данной работе разрабатывается частотномодулированный автогенератор, в котором применен АГ с внутренней обратной связью. Автогенераторами с внутренней обратной связью называются генераторы, построенные на приборах с отрицательным сопротивлением.
Рис.1. ВАХ диода
Рис.2.Лямбда–диод: а)принципиальная схема; б) ВАХ диода.
На рис. 2.б. показана вольтамперная характеристика диода (ВАХ) – зависимость прямого тока (I) от положительного напряжения (U), дифференциальное сопротивление диода на падающем участке а – б отрицательно:
,
где - угол наклона касательной к кривой ВАХ в р.т. при .
Такой характеристикой обладают туннельные диоды (ТД), лавинно – пролетные диоды (ЛПД), диоды Ганна (ДГ), - диоды.
Автогенераторы с внутренней обратной связью имеют мало элементов, просты в настройке, такие схемы расширяют возможности схемотехники, позволяют создавать необычные технические решения.
Устройства на лямбда-диодах и транзисторах могут использоваться для построения генераторов релаксационных колебаний микросекундного диапазона длительностей и выше. Теория негатронов с лямбда- или N-образными ВАХ показывает, что релаксаторы на них должны иметь индуктивный накопитель энергии. На рис. 3, а представлена типовая схема генератора на лямбда-диоде. В зависимости от режима работы она может выполнять функции как LC-генератора синусоидальных колебаний, так и релаксатора.
Для автоколебательного режима работы линия нагрузки резистора R должна пересекать ВАХ в одной точке на падающем участке.
Рис. 3.
Для того, чтобы в колебательной системе (рис.3) возникли высокочастотные колебания и их амплитуда нарастала, необходимо выполнение условия:
где - абсолютная величина отрицательного сопротивления диода,
- эквивалентное (резонансное) сопротивление колебательной системы (КС),
Q – добротность КС
- характеристическое сопротивление КС
Когда , в автогенераторе устанавливается стационарная амплитуда колебаний, с физической точки зрения отрицательное сопротивление R_ диода вносит в контур генератора больше энергии, чем выделяется энергия во вносимом сопротивлении нагрузки .
Рис.4
Практическая схема генератора представлена на рис. 4. Преимущества этой схемы заключаются в том, что для нее не требуется изготавливать катушки индуктивности с отводами от части витков и соблюдать определенную фазировку включения их выводов. Этот генератор устойчиво работает в диапазоне частот от нескольких Гц до 10—15 МГц. Частоту генератора можно перестраивать как изменением индуктивности катушки, так и изменением емкости С2.
Подобные генераторы устойчиво работают одновременно на двух частотах, например ВЧ и ЗЧ, что позволяет строить на их основе высокочастотные генераторы с амплитудной модуляцией.(см.рис.5)
Схема высокочастотного генератора представлена на рис. 5. Частота колебаний ВЧ определяется параметрами контураа частота колебаний ЗЧ - параметрами контура L2C3. Напряжение соответствующих колебаний снимается с гнезд XI или Х2. Включать или выключать генератор ЗЧ, а значит модулировать колебания ВЧ или нет, можно выключателем SA1 Поскольку генератор устойчив при напряжении 2 В, батарея GB может быть из двух последовательных дисковых аккумуляторов Д-0,06, Д-0,03.
Рис.5.
5. Описание установки и порядок выполнения.
При создании какого-либо прибора, перед конструктором стоит задача максимально снизить массу и габариты устройства. Кроме того, требуется обеспечить высокую ремонтопригодность устройства, удобство сборки, монтажа и сделать прибор дешёвым.
Рис.6. Конструкция корпуса
Данная конструкция удобна при длительной работе из - за наклонного расположения ЛП, поэтому используется для специализированной контрольно – измерительной аппаратуры (в данном случае – лабораторный макет ЧМАГ).
При таком размещении ЛП на наклонной поверхности корпуса: индикаторы, регулировочные элементы, клеммы для подключения внешних измерительных приборов удобны оператору для изменения и установки режимов работы и наблюдения за показаниями индикатора (тока), снятия ВАХ и модуляционных характеристик ЧМАГ.
Рис.7. ЛП лабораторного макета ЧМАГ.
Рис.8. Схема электрическая функциональная ЧМАГ, где КС – колебательная система,
1В – один варикап, ВПС – встречно – последовательно включенные два варикапа
В соответствии с функциональной схемой ЧМАГ составим таблицу функций.
|
№ |
Функция |
Чем реализуется |
|||
|
регуляторы |
соединители |
индикаторы |
надписи |
||
|
Подготовка к работе |
|||||
|
Подсоединение к внешним цепям заземление проверка предохранителя |
ВД-1 XP1, XP2 XS1, XS2 КП-1 XS7, XS8 КП-1 XS5, XS6 КП-1 XS3, XS4 КП-1 провод держатель предохрани-теля МД 058 |
вольтметр ВК7-15 вольтметр ВК7-15 частотомер Ч3-34А осциллограф С1-72 |
+12В U ┴ 0,1 А |
||
|
1.Установка режимов работы |
|||||
|
1.1 1.2 |
Вкл / Выкл макета проверка работоспособности: |
SA 1 ТВ2-1 R4 СП-5 R9 СП-5 |
два проводника два проводника кабель кабель |
светодиод HL АЛ307Б вольтметр ВК7-15 вольтметр ВК7-15 Осциллограф С1-72 Частотомер Ч3-34А |
220В 50Гц Вкл шкала 10В, установка нуля крайне левое положение R4 шкала 10В, установка нуля крайне левое положение R9 U f |
|
2.Снятие характеристик |
|||||
|
2.1 2.2 2.3 2.4 |
Снятие ВАХ Изменение Ед=(0…8)В Измерение постоянного тока Установка рабочей точки Измерение амплитуды колебаний Измерение частоты колебаний Снятие модуляционной характеристики: 2.4.1.Режим включения одного варикапа Изменение напряжения смещения Есм= (0…8)В Измерение амплитуды колебаний и частоты по пункту 2.3 2.4.2 Режим включения встречно последовательно соединенных двух варикапов Изменение напряжения смещения Есм= (0…8)В |
R4 СП-5 R4 СП-5 SA2 ТВ2-1 R9 СП-5 SA2 ТВ2-1 R9 СП-5 |
Два проводника кабель кабель Два проводника Два проводника |
вольтметр ВК7-15 PA вольтметр ВК7-15 Осциллограф С1-72 Частотомер Ч3-34А вольтметр ВК7-15 вольтметр ВК7-15 |
Ед Iд Ед U f 1В Есм ВПС |
Для п.п. 2.2; 2.3
Экспериментальные данные представить в виде таблиц и графиков.
Установить - в среднее положение, изменяя (R4), снять зависимости
|
,В |
||||||||
|
1 варикап |
f,кГц |
|||||||
|
,В |
||||||||
|
2 варикапа |
f,кГц |
|||||||
|
,В |
Для п.п. 2.4 Установить р.т. на диоде из п.1
Изменяя (R9), снять зависимости:
|
В,В |
ЕВО, В |
|||||||||
|
1 варикап |
||||||||||
|
,В |
||||||||||
|
2 варикапа |
||||||||||
|
,В |
- частота в р.т. варикапов,соответсвующее среднему значению
Список использованной литературы
1. Радиопередающие устройства: учебн. Для вузов/ В. В. Шахгильдян, В. Б. Козырев и др. /Под ред. В. В. Шахгильдяна – М.: Радио и связь, 2003- 560 с. Ил. – 48 экз.
2. Каганов В. И. Радиопередающие устройства: учебн. – М.: ИРПО «Академия, 2002-288 с. Ил. – 17 экз.
3. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/ под ред. М. В. Благовещенского, Г. м. Уткина – М.: Радио и связь, 1982- 408 с. Ил. – 13 экз.
4.Петров Б. Е. Романюк В. А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах: учебное пособие – М.: ВШ, 1989 – 231 с. Ил. – 11 экз.
5.Ворона В.А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007 – 384 с.: ил. – 1 экз.
6.Дьяконов В.П., Максимчук А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. – М.: СОЛОН-Р. – 2002. 512.с.,ил.
7.Шульгин О.А., Шульгина И.Б., Воробьев А.Б. «Электронный справочник по полупроводниковым приборам»
8.Москатов Е.А. «Справочник по полупроводниковым приборам» 2005.
9.Справочник /Под ред. И. И. Четверткова, М. И. Дьяконова. М. Радио и связь.1993