Лабораторная работа №2. Исследование амплитудного детектора

Исследуйте работу амплитудного детектора в режиме сильных и слабых сигналов.

Методические указания

1.1. Произвести соединения согласно рис. 1.

Измерить коэффициент выпрямления в режиме сильного и слабого сигнала. Переключатели макета установить в следующее положение: S1 – 1, S2 – 1 (при наличии сильных искажений, возникающих из-за влияния УПЧ, допускается установить в положение 2), S3 – 1, S4 – 1, S5 - 1. При этом R_н=51 кОм, С_н=3 нФ.

Подать в КТ3 от ВЧ генератора немодулированное напряжение U_вх = 1 вольт с частотой 400 – 500 кГц (напряжение на выходе НЧ генератора должно быть равно 0 В). Контроль величины ВЧ напряжения осуществить в КТ3 с помощью вольтметра (панель №4) в режиме «ВЧ». При этом предел измерения вольтметра не переключается и составляет 2 вольта.

Измерить с помощью вольтметра (панель №4) значение постоянного напряжения на нагрузке детектора U₌ (в КТ5). Для этого вольтметр переключить в режим измерения постоянного напряжения.

Рассчитать коэффициент выпрямления: К_В = U₌ / U_mвх, где U_mвх – амплитуда напряжения на входе детектора U_m0вх = 1,414 U_вх. ( К_в>0,7 )

Уменьшить напряжение на выходе генератора до значения 100 мВ (для этого в КТ1 подать напряжение с выхода генератора «–20дБ»). Проконтролировать в КТ3 с помощью вольтметра величину U_mвх, измерить U₌ и рассчитать коэффициент выпрямления ( К_в≈0,25 ). Сравнить его со значением К_Впри сильном сигнале.

1.2. Измерить коэффициент передачи детектора в режиме сильных сигналов (рис. 2).

Подать от ВЧ генератора немодулированное напряжение U_вх = 1 вольт Контроль величины ВЧ напряжения осуществить в КТ3 с помощью вольтметра (панель №4) в режиме «ВЧ».

Включить режим внутренней модуляции ВЧ генератора, установить по осциллографу глубину модуляции m = 50%. Синхронизация осциллографа – по входу 2.

Провести одновременное наблюдение входного и выходного сигналов. Убедиться в отсутствии искажений выходного сигнала. Определить амплитуду напряжения звуковой частоты на выходе детектора U_mW. Рассчитать коэффициент передачи детектора

K_Д= U_mW /mU_m0ВХ ( К_д>0,7 )

1.3. Исследовать искажения АМ сигнала из-за нелинейности детекторной характеристики. Увеличить глубину модуляции входного сигнала до значения m=90%. Убедиться в появлении искажений выходного напряжения.

Уменьшить среднюю амплитуду сигнала на выходе генератора до значения
U_m0ВХ =100 мВ. Произвести наблюдение входного и выходного сигналов и убедиться в увеличении искажений.

Лабораторное задание №2:

Исследуйте искажения, возникающие из-за избыточной постоянной

Времени нагрузки.

Методические указания

2.1. Вычислить критические значения глубины модуляции АМ сигнала, выше которых не выполняется условие безынерционности нагрузки на частоте модуляции F_М и возможно появление нелинейных искажений

где , t_Н= R_Н С_Н- постоянная времени загрузки.

Расчет выполнить при F_М=1кГц для трех значений постоянной времени, соответствующих сопротивлениям нагрузки R_Н= 51 кОм и R_Н= 100 кОм при С_Н= 3нФ, а также R_Н= 100 кОм при С_Н= 53нФ.

2.2. При U_m0ВХ =1 В наблюдать на экране осциллографа форму напряжения на нагрузке детектора для указанных в п. 2.1. значениях R_Ни С_Н. Выбор соответствующей нагрузки обеспечивается установкой переключателя S3 в положение 1, 4 или 5.

2.3. Изменяя глубину модуляции зафиксировать значения глубины модуляции, при которых появляются искажения. Обратить внимание на появление искажений типа “пилы” и на их зависимость от глубины модуляции и значения t_Н. Сопоставить экспериментальные значения с расчетными.

Лабораторное задание №3:

Методические указания

3.1. Рассчитать теоретическое значение глубины модуляции, при которой возможно появление нелинейных искажений, обусловленных неодинаковыми значениями сопротивления нагрузки детектора постоянному току R_Н и переменному току R_НW.

m_КРR= R_НW / R_Н, где R_НW = R_НR_У / (R_Н + R_У)

Расчет выполнить для значений R_Ни R_У, указанных в таблице.

Полож. перекл. S3	RН	mКРR ТЕОР при	mКРR ИЗМ при
RУ=510 кОм S5 в п.1	RУ=6,2 кОм S5 в п.2	RУ=510 кОм S5 в п.1	RУ=6,2 кОм S5 в п.2
	51 кОм
	10 кОм
	1,5 кОм
	100 кОм

3.2. Среднюю амплитуду АМ сигнала U_m0ВХ установить максимально возможной при m = 50 %. С помощью осциллографа наблюдать сигналы в КТ6 при различных значениях R_Н (S3 в положениях 1-2-3-4) и R_У (S5 в положениях 1-2). Проследить изменение характера искажений при изменении глубины модуляции и значений R_Н и R_У.

Лабораторное задание №4:

Методические указания

4.1. Произвести соединения согласно рис. 3.

(Входной ВЧ сигнал подавать в КТ3!)

Установить максимально возможную амплитуду немодулированного сигнала U_mВХ на входе детектора и измерить ее значение. Тумблер S4 установить в положение 2.

Наблюдать форму импульсов тока в цепи диода (КТ4) при различных значениях R_Н. Синхронизация осциллографа – по входу 1.

4.2. Исследовать зависимость угла отсечки (q) от значений R_Н. Значение q определить по осциллограмме при R_Н =51 кОм, R_Н =10 кОм, R_Н =1,5 кОм. По шкале микроамперметра зафиксировать значения постоянной составляющей тока диода I₌ в каждом случае.

4.3. Рассчитать значения коэффициентов выпрямления при измеренных значениях q:

К_q = cosq

и сравнить их со значениями К_В, рассчитанными по выражению

К_В = I₌R_Н / U_mВХ.

Лабораторное задание №5:

Методические указания

5.1. Произвести соединения согласно рис. 1.

Снять зависимость постоянной составляющей тока I₌ от напряжения на входе детектора U_ВХ при значении сопротивления нагрузки R_Н =51 кОм (S3 – в положении 1). От генератора ВЧ подать на вход детектора немодулированное напряжение с частотой 400-500 кГц. Изменяя значения U_ВХ в интервале 50-1000 мВ, фиксировать значения I₌. Для каждого значения U_ВХ рассчитать значения амплитуды высокочастотного напряжения на входе детектора

,

напряжения на нагрузке

,

коэффициента выпрямления

.

Результаты измерений и расчетов оформить в виде таблицы.

5.2. Повторить исследования п. 5.1. при значении сопротивления нагрузки R_Н =10 кОм (S3 – в положении 2).

Построить графики зависимостей I₌, U₌ и К_В от U_mВХ при R_Н=51 кОм и R_Н =10 кОм. Сравнить значения К_В в режиме сильных и слабых сигналов.

Тумблер S4 перевести в положение 1.

Лабораторное задание №6:

Методические указания

6.1. Произвести соединения согласно рис. 2.

Установить значение сопротивления нагрузки R_Н =10 кОм (S3 – в положении 2). При постоянной глубине модуляции m=50% изменять напряжение U_ВХ на входе детектора в интервале от 100 до 1000 мВ и фиксировать значение напряжения в КТ5 U_ВЫХ. (Измерение U_ВХ проводится в режиме вольтметра «ВЧ», измерение U_ВЫХ проводится в режиме «НЧ»).

6.2. Поддерживая постоянным уровень напряжения на входе детектора (U_ВХ=const), изменять глубину модуляции в интервале от 10% до 90% и фиксировать U_ВЫХ. Измерения провести для U_ВХ=100 мВ и U_ВХ=1000 мВ. Рассчитать коэффициент передачи

Построить графики зависимостей U_ВЫХ от U_ВХ, U_ВЫХ от m, К_Д от m. Отметить область, где детекторная характеристика U_ВЫХ от U_ВХ имеет нелинейный характер.

Лабораторное задание №7 (НЕОБЯЗАТЕЛЬНОЕ):

Методические указания

7.1. Произвести соединения согласно рис. 2.

Установить максимально возможное значение высокочастотного напряжения на входе детектора и зафиксировать значение U_ВХ с помощью вольтметра.

Установить глубину модуляции генератора ВЧ, равной 50%. Синхронизация осциллографа – по входу 2.

Установить R_Н =100 кОм, С_Н=3нФ, R_У=510кОм (S3 в положении 4, S5 в положении 1).

Изменяя F_Mв интервале 400 – 16000 Гц при неизменных значениях m и U_ВХ, снять зависимость напряжения низкой частоты U_W в КТ5 от F_M. Для этого перевести вольтметр в режим измерения НЧ.

7.2. Установить R_Н =10 кОм, С_Н=3нФ, R_У=510кОм (S3 в положении 2, S5 в положении 1). Изменяя F_Mв интервале 400 – 16000 Гц при неизменных значениях m и U_ВХ, снять зависимость напряжения низкой частоты U_W в КТ5 от F_M.

7.3. Построить на одном чертеже графики зависимостей U_W от F_M при R_Н =100кОм и R_Н =10 кОм. Отметить частоты верхнего среза F_MАКС. Сделать вывод о влиянии значения R_Н на степень линейных искажений в области верхних частот модуляции.

7.4. Провести наблюдение фазового сдвига выходного напряжения относительно огибающей входного сигнала на верхних частотах модуляции. Зарисовать осциллограмму.

Лабораторное задание №8:

Методические указания

8.1. Подать на вход детектора немодулированный сигнал с частотой 400 - 500 кГц и максимально возможной амплитудой. Измерить напряжение на входе детектора U_ВХ.

С помощью осциллографа определить величину высокочастотной составляющей напряжения на нагрузке U_W при значениях R_Н =1,5 кОм, R_Н =10 кОм и R_Н =51 кОм.

8.2. Рассчитать значения коэффициента фильтрации

Сопоставить полученные значения с ожидаемыми, определенными по формуле

.

8.3. Установить m=50%. Наблюдать осциллограммы напряжения в КТ6 при различных значениях R_Н. Обратить внимание на плохую фильтрацию высокочастотного напряжения на нагрузке при R_Н=1,5 кОм, проявляющуюся в утолщении и размытости линии сигнала.

Лабораторное задание №9:

Методические указания

Переключатель S2 установить в положение 2, переключатели S1, S3, S4 и S5 - в положение 1.

9.1. Подать на вход детектора АМ сигнал с максимально возможной амплитудой и m=50%. Наблюдать на экране двухканального осциллографа напряжения на входе и выходе детектора.

Провести исследования, аналогичные п. 1. Измеренные значения К_В и К_Д сопоставить с соответствующими показателями однодиодного детектора.

9.2. По указанию преподавателя провести исследование других показателей детектора с удвоением напряжения.

Переключатель S2 установить в положение 1.

Лабораторное задание №10:

Методические указания

10.1. Произвести соединения согласно рис. 4.

Снять АЧХ УПЧ в пределах диапазона I генератора ВЧ. U_вх – любое в интервале 10÷100 мВ.

Отключить детектор от выхода УПЧ; для этого установить тумблер S1 в положение 2.

От ВЧ генератора подать на вход УПЧ немодулированное напряжение порядка 1 мВ. Вольтметр перевести в режим измерения ВЧ.

Изменять частоту ВЧ генератора в пределах его перестройки от минимальной до максимальной, фиксировать величину напряжения на выходе УПЧ (в КТ3). Результаты измерений поместить в таблицу.

Построить график нормированной АЧХ УПЧ.

Подключить детектор к выходу УПЧ; для этого установить тумблер S1 в положение 1.

Снять АЧХ УПЧ при R_н = 100 кОм, R_н = 10 кОм и R_н = 1,5 кОм. Построить графики нормированных АЧХ. Сделать выводы о влиянии сопротивления нагрузки детектора на параметры УПЧ.

10.2. Снять динамические детекторные характеристики АД с УПЧ.

Переключатель S3 установить в положение 4 (R_н = 100 кОм).

Подать на вход УПЧ модулированное напряжение порядка 5÷10 мВ с m=50%. Частоту ВЧ генератора установить по максимуму показаний вольтметра (≈450 кГц ).

Синхронизация осциллографа – по входу 2.

Изменяя F_M в интервале 400 – 16000 Гц при неизменных значениях m и U_ВХ, снять зависимость напряжения низкой частоты U_W в КТ5 от F_M. Для этого перевести вольтметр в режим измерения НЧ.

Построить график зависимости U_W от F_M при R_Н =100 кОм. Отметить частоту верхнего среза F_MАКС.

Рис. 1. Исследование работы амплитудного детектора в режиме сильных и слабых сигналов

Рис. 2. Исследование работы амплитудного детектора в режиме сильных и слабых сигналов

(определение коэффициента передачи детектора)

Рис. 3. Изучение формы импульсов тока, протекающего через диод

Рис. 4. Исследование совместной работы УПЧ и амплитудного детектора

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА

Работа выполняется на специализированном лабораторном макете ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА.

Описание лабораторного макета:

Лабораторный макет «Исследование амплитудного детектора» выполнен в виде сменного блока установки по курсу «Радиоприемные устройства».

Макет включает в себя диодный детектор и цепи коммутации. Внешний вид передней панели макета приведен на рисунках.

Переключатель S2 позволяет изменять схему детектора. В положении 1 – последовательная схема на диоде VD1, в положении 2 – схема детектора с удвоением напряжения на диодах VD1 и VD2.

Высокочастотный сигнал поступает на вход макета через коаксиальные разъемы, обозначенные на лицевой панели КТ1 и КТ2.

В первом случае сигнал поступает через разделительный конденсатор C1 непосредственно на вход детектора. Рабочие частоты в этом случае могут варьироваться в широких пределах (рекомендуемый диапазон - 400 – 500 кГц).

Во втором случае сигнал поступает на детектор через однокаскадный резонансный УПЧ, частота настройки которого (приблизительно 400 – 500 кГц) определяется параметрами колебательного контура L1 – C2, а также входной емкостью детектора и емкостью измерительного прибора. Ключ S1 позволяет отключать детектор от контура УПЧ.

Переключатель S3 изменяет сопротивление нагрузки детектора R_н. Кроме того в положении 5 переключателя параллельно резистору нагрузки подключается конденсатор С4=50 нФ

Положение переключателя S3
Rн, кОм			1,5
Сн, нФ.

Постоянная составляющая тока диода измеряется микроамперметром РА (по схеме, изображенной на панели сменного блока). Реальная величина протекающего тока отображается в миллиамперах на цифровом индикаторе измерителя Р1, расположенного на панели №4 лабораторной установки (например показания индикатора.315 следует читать как 0,315 мА).

Форму тока, протекающего через диод, можно наблюдать в КТ4 с помощью осциллографа при установке S4 в положение 2.

Большинство измерений в процессе выполнения работы проводится при установке переключателей S1, S2, S4 в положение 1. В случае, когда используется другая схема коммутации, это оговаривается особо.

Переключатель S5 подключает резисторы R7 или R8, имитирующие различные значения входного сопротивления R_У следующего за детектором усилительного каскада. R7 = 510 кОм; R8 = 6,2 кОм.

Для выполнения лабораторной работы используются генератор ВЧ и генератор НЧ, расположенные на панели №2 лабораторной установки, а также вольтметр, расположенный на панели №4.

Дополнительным прибором, необходимым для проведения работы, является двухлучевой (двухканальный) осциллограф.

Цель работы:

Изучить принципы работы и основные характеристики амплитудных детекторов.

Содержание отчета:

1. Цель работы

2. Принципиальная схема амплитудного детектора

3. Таблицы, графики и осциллограммы экспериментальных данных и результатов согласно методическим указаниям

4. Расчеты параметров согласно методическим указаниям

5. Выводы

Примерные контрольные вопросы:

1. На основе каких систем можно реализовать амплитудный детектор?

2. Объясните принцип действия диодного АД с временной и спектральной точек зрения.

3. Чему равен и от каких параметров зависит коэффициент передачи диодного АД при детектировании слабых сигналов?

4. Чему равно и от каких параметров зависит входное сопротивление диодного АД?

5. Нарисуйте диаграммы напряжения и тока диода при детектировании АМ-колебаний диодным АД в режиме сильных сигналов.

6. Нарисуйте и сравните схемы диодных АД: последовательную, параллельную и с раздельной нагрузкой.

7. Когда используют двухтактный диодный АД?

8. Нарисуйте схему диодного АД с удвоением выходного напряжения.

9. Нарисуйте схему транзисторного АД.

10. Какие искажения возникают при детектировании АМ-колебаний и какие способы борьбы с ними?

План проведения работы:

1. Вводная часть. Цели работы. Ознакомление с лабораторной установкой

2. Исследование работы амплитудного детектора (АД) при разных
уровнях сигнала

3. Исследование искажений

4. Исследование нелинейных искажений

5. Изучение форм токов, протекающих через диод

6. Изучение статических детекторных характеристик

7. Изучение динамических детекторных характеристик

8. Изучение фильтрации ВЧ напряжения

9. Исследование детектора, работающего по схеме с удвоением напряжения

10. Изучение совместной работы усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и АД

11. Заключительная часть. Сбор и коррекция необходимых данных

Лабораторное задание №1: