Методические указания к выполнению лабораторных работ 2 страница

3 Лабораторная работа №3

ЧМ-модуляция

3.1 Цель работы: исследование режимов работы частотного модулятора.

3.1.1 Получение навыков расчета девиации частоты.

3.1.2 научиться анализировать временные диаграммы ЧМ-сигнала при различных режимах модуляции.

3.2 Подготовка к работе.

Повторить разделы «Сигналы с угловой модуляцией»: «Виды угловой модуляции», «Однотональные сигналы с угловой модуляцией», «Спектральное разложение ЧМ- и ФМ-сигналов при малых индексах модуляции», «Более точный анализ спектрального состава сигналов с угловой модуляцией», «Спектр сигналов с угловой модуляцией при произвольном значении индекса», «Угловая модуляция при негармоническом модулирующем сигнале», «Получение сигналов с угловой модуляцией»[1, с.100-108, 293,294], «Радиосигналы с угловой модуляцией», «Частотная модуляцмя», «Фазовая модуляция», «Некоторые соображения о спектре колебаний с угловой модуляцией», «Спектр ЧМ- сигнала при однотональной модуляции», «Частотные модуляторы», «Цифровой частотный модулятор», «Фазовые модуляторы» [2, с.115-122, 295-298], «Фазовая и частотная модуляции гармонической несущей», «Частотные и фазовые модуляторы» [3,с. 64-70, 124-126].

3.3 Описание установки

Блок схема установки представлена на рисунке 3.1 и состоит из:

а) генератора ЧМ-сигналов (FM-modulator), который работает в двух различных диапазонах (А: 800кГц-1200кГц и В: 425кГц-485кГц, переключающихся с помощью тумблера Range Selector-выбор диапазона) и размещен в блоке СОМ 2/1;

б) двухканального осциллографа 3 МГц, 5 Мv;

в)) генератора звуковых сигналов (AUDIO генератора) с параметрами:

U _{max вых}=10 В, F_нч=10-100кГц, выходное сопротивление R_вых.=50 Ом;

г) частотомера;

д) цифрового вольтметра;

е) вольтметра;

ж) источника питания: на +12V, -12V.

3.4 Порядок выполнения работы

Рисунки представлены в конце лабораторной работы № 3.

3.4.1 Настройка генератора ЧМ-сигналов (ЧМ-модулятора)

а) Присоединить частотомер к выходным клеммам ЧМ-модулятора (гнездо Osc, Output). Переключить ЧМ-модулятор на диапазон А. С помощью потенциометра Р1 устанавливаем и записываем на выходе ЧМ-модулятора минимальное значение частоты в заданном диапазоне, равное 860 кГц, а также максимальное значение частоты в заданном диапазоне, равное 1300 кГц. При этом потенциометр Р2 должен быть отцентрирован.

б) Переключить ЧМ-модулятор на диапазон В. С помощью потенциометра Р1 устанавливаем и записываем на выходе ЧМ-модулятора минимальное значение частоты в заданном диапазоне, равное 424 кГц, а также максимальное значение частоты в заданном диапазоне, равное 486 кГц. При этом потенциометр Р2 должен быть отцентрирован.

3.4.2 Исследование частотной характеристики ЧМ-модулятора

а) Переключить ЧМ-модулятор на диапазон А. Присоединить к входу ЧМ-модулятора генератор звуковых сигналов (гнездо Mod in) и цифровой вольтметр. Присоединить канал осциллографа и вольтметр к выходу ЧМ-модулятора (гнездо Osc. Output). С помощью потенциометра Р1 установить ЧМ-модулятор на 900кГц. На генераторе звуковых сигналов установить частоту F_нч=1 кГц и амплитуду 1Vрр, где рр-размах амплитуды на осциллографе. Измерить напряжение выходного сигнала U_вых. Результаты измерений записать в таблицу 3.1. Увеличивать частоту ЧМ-модулятора небольшими шагами (шаг примерно равен 20кГц) до 1000кГц, измерять напряжение выходного сигнала при каждом увеличении частоты. Изменять частоту в обратном порядке от 1000каГц до 900кГц с шагом в 20кГц, измеряя напряжение выходного сигнала. Результаты измерений записать в таблицу 3.1.

Примечание: Модулирующее напряжение на входе модулятора U_вх при любой определенной частоте должно быть умножено на 40, чтобы получить напряжение в вольтах.

Таблица 3.1

f,кГц
Uвых,В

б) Переключить ЧМ-модулятор на диапазон В. Повторить предыдущий эксперимент для диапазона В (425кГц-475кГц-425кГц). Результаты измерений записать в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

f,кГц
Uвых,В

3.4.3 Измерение фазового сдвига

ЧМ-модулятор переключен на диапазон В. Установить частоту f=455кГц. На генераторе звуковых сигналов установить частоту F_нч=100Гц и амплитуду 0,2 В. Медленно увеличивая амплитуду, получить на выходе ЧМ-модулятора модулированное напряжение, осциллограмма которого соответствует рисунку 3.2. Зарисовать форму ЧМ волны, полученной на осциллографе. Измерить величины a и b.

3.5 Обработка результатов

3.5.1 В результате настройки генератора ЧМ сигналов (ЧМ-модулятора) приобретаются навыки работы с потенциометром Р1, с помощью которого настраивается ЧМ-модулятор и частотомером.

3.5.2 По результатам таблиц 3.1 и 3.2 построить графики зависимости напряжения на выходе ЧМ-модулятора от его частоты.

3.5.3 По результатам измерений а и b фазовый сдвиг ψ, как отношение b/a. Выразить это отношение в %.

3.6 Выводы

3.6.1 Как зависит напряжение на выходе ЧМ-модулятора от частоты на выходе ЧМ-модулятора?

3.6.2 От какого параметра низкочастотного сигнала U_мод(t) зависит девиация частоты?

3.7 Контрольные вопросы

3.7.1 Какой параметр изменяет передаваемое сообщение (низкочастотный сигнал) U_мод(t) в несущем гармоническом колебании U_нес(t) при частотной модуляции?

3.7.2 Что показывает девиация частоты при частотной модуляции?

3.7.3 Чему пропорционален фазовый сдвиг между немодулированным колебанием и ЧМ-сигналом, промодулированным сообщением U_мод(t)?

3.7.4 Как определяется индекс частотной модуляции m однотонального ЧМ-сигнала, промодулированного сигналом с низкой частотой F?

3.7.5 Как записывается аналитическое выражение ЧМ-сигнала при однотональной модуляции, если m<<1?

3.7.6 Как изображается спектрограмма ЧМ-сигнала, если m<<1?

3.7.7 Как изображается векторная диаграмма ЧМ-сигнала, если m<<1?

3.7.8 В чем заключается различие аналитических выражений, спктрограмм и векторных диаграмм АМ и ЧМ-сигналов?

3.7.9 Чему равна ширина спектра ЧМ-сигнала при малых индексах модуляции?

3.7.10 Чему равна практическая ширина спектра ЧМ-сигнала при индексах модуляции m>>1?

3.7.11 Приведут ли вредные нелинейные изменения амплитуды ЧМ-сигнала к искажению передаваемого сообщения?

Рисунок 3.1 - Блок-схема установки для частотной модуляции сигнала

Рисунок 3.2 - Измерение фазового сдвига ЧМ-волны

4 Лабораторная работа № 4

Детектирование частотно-модулированных колебаний

4.1 Цель работы: Изучить принцип работы и характеристики частотного детектора.

4.1.1 Получить детекторную характеристику частотного детектора при постоянной амплитуде входного ЧМ сигнала.

4.1.2 Научиться строить и анализировать частотную характеристику частотного детектора.

4.1.3 Исследовать линейность характеристики U_вых=f(U_вх) частотного детектора.

4.2 Подготовка к работе

4.2.1. Повторить разделы «Частотное детектирование» [1, с. 299-300], «Детектирование сигналов с угловой модуляцией» [2, с. 303-307], «Частотное детектирование» [3, с. 251-254].

4.3 Описание установки

Блок-схема установки (рисунок 4.1) содержит:

а) блоки СОМ 2-2, СОМ 2-1;

б) двухканальный осциллограф;

в) ЧМ-модулятор;

г)) генератор звуковых сигналов (AUDIO генератор) с параметрами:

U _{max вых}=10 В, F_нч=10-100кГц, выходное сопротивление R_вых.=50 Ом;

д) детектор отношения;

ж) частотомер;

з) источники питания;

и) цифровой вольтметр;

к) детектор произведения.

4.4 Порядок выполнения работы

Рисунки представлены в конце лабораторной работы № 4

Детектирование будем осуществлять 2-мя методами:

а) детектором отношения;

б) детектором произведения.

4.4.1 Настройка детектора отношения

Собрать схему, изображенную на рисунке 4.1. Детектор отношения, входящий в схему, представлен на рис. 4.2.

Настроить ЧМ – модулятор на f=455 кГц и установить амплитуду выходного напряжения U_вых.ЧМ =1.5 В. Значения этого напряжения регулировать на вольтметре либо на осциллографе. Присоединить звуковой генератор с модулирующим сигналом в U=10 В и c F_нч=20 Гц на вход Mod In ЧМ-модулятора.

Соединить выход ЧМ – модулятора и вход ЧМ детектора отношения (гнездо OSC OUT с гнездом FM In). Далее присоединить канал А осциллографа к выходному гнезду Vout детектора отношения (Ratio cletektor), а канал Б к входу Mod In модулятора. Манипулируя регуляторами осциллографа и преобразователями Т1 и Т2 детектора, получить кривую формы S на осциллографе (рисунок 4.3)

Зарисовать кривую S в масштабе, принимая во внимание усиление каналов А и Б осциллографа.

4.4.2 Получение частотной характеристики детектора.

Отключить генератор звуковой частоты от ЧМ-модулятора. Изменяя частоту модулятора выше и ниже 455 кГц, измерить выходное напряжение детектора отношения на каждой частоте, присоединив цифровой вольтметр к гнезду Vout. Результаты измерений записать в таблицу 4.1

Таблица 4.1

fчм, кГц
Uвых. детек. отнош., В

4.4.3 Исследование линейности характеристики U_вых = f(U_вх) детектора отношения.

Подключить звуковой генератор к клеммам «Mod In» ЧМ- модулятора и подать напряжение в U_нч=1 В на частоте F_нч = 1кГц. При этом резонансная частота ЧМ- модулятора остается равной f = 455кГц. Выход ЧМ- модулятора подключен на вход детектора на (FM In). Изменяя амплитуду звукового сигнала от 0 до 10В, измерить амплитуду выходного сигнала детектора отношения на клеме Vout. Результаты измерений записать в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

Uнч, В	1,00	2,00	3,00	4,00	5,00	6,00	7,00	8,00	9,00	10,00
Uвых. детек. отнош. В

4.4.4. Настойка детектора произведения

Чтобы настроить работу детектора произведения, необходимо подключить фазосдвигающую цепь (рисунок 4.4) к выходу ЧМ- модулятора перед детектором, т.е. клеммы ЧМ- модулятора соединить со входом COM 2/2 (Input). Изменяя индуктивность катушки L1, достигаем разности фаз между выходом ЧМ- модулятора и выходом V₀ от 0 до 180; это угол изменения L1; необходимо получить максимальный выходной сигнал с V₀. Изменяя частоту ЧМ- генератора отмечаем, что разность фаз между входным и выходным напряжением варьирует около 90⁰ при максимальном сигнале с гнезда «V₀».

Собрать схему детектора произведения (рисунок 4.5).

Вход детектора произведения (гнездо “Input”) подсоединить к ЧМ-модулятору (OSC OUT) с выходным напряжением U=1В. Изменяя частоту ЧМ-модулятора от 400 кГц до 500 кГц, измерить напряжение на выходе детектора. Данные занести в таблицу 4.3.

Таблица 4.3

fчм, кГц
Uвых детект. произв. В

4.5 Обработка результатов

4.5.1 По результатам выполнения пункта 4.4.1 зарисовать кривую S- образной формы, полученную на выходе детектора отношения. Объяснить форму полученной детекторной характеристики.

4.5.2 По данным таблицы 4.1 построить график зависимости U_{вых.дет.} от частоты на выходе ЧМ-модулятора. Сделать выводы.

4.5.3 По данным таблицы 4.2 построить график зависимости Uвых.дет.=f(U вх.мод.) и проверить линейность полученного графика. Сделать выводы.

4.5.4 По данным таблицы 4.3 построить статическую характеристику детектора U_{вых.детек.} = f(f_чм).

4.6 Выводы

4.6.1 Почему наблюдаем различные формы сигналов, полученных на выходе детектора отношения и детектора произведения?

4.6.2 Объяснить работу фазосдвигающей цепи.

4.7 Вопросы для самопроверки

4.7.1 Какой параметр сигнала изменяется при изменении частоты сигнала в частотно-амплитудных детекторах?

4.7.2 Какой параметр сигнала изменяется при изменении частоты сигнала в частотно-фазовых детекторах?

4.7.3 Изобразить схему частотно-амплитудного детектора с расстроенными контурами (детектора отношения).

4.7.4 Объяснить, почему детекторная характеристика (зависимость напряжения от частоты) в ЧМ-детекторе с расстроенными контурами имеет S-образную форму?

4.7.5 Каково назначение преобразователей Т1 и Т2в схеме детектора отношения?

4.7.6 Какой вид имеет векторная диаграмма к частотному детектору отношения:

а) в отсутствии модуляции;

б) если частота выше резонансной

в) если частота ниже резонансной?

4.7.7 Как определить амплитуду сигнала низкой частоты, выделяемого на нагрузке детектора отношения?

4.7.8 Каково назначение фазосдвигающей цепи в детекторе произведения?

4.7.9 Как настраивается фазосдвигающая цепь?

4.7.10 Изобразить схему детектора произведения и объяснить принцип работы схемы.

1-модулятор;

2-детектор;

3-осциллограф

Рисунок 4.1- Блок схема установки

Рисунок 4.2 - Схема электрическая принципиальная детектора отношения

1 сигнал с выхода звукового генератора

2 ЧМ-модулятор

3 детектор отношения

Рисунок 4.3 - Блок схема установки для получения S-образной кривой детектора отношения

FM OSCILLATOR

1 ЧМ генератор

2 блок СОМ-2/1

3 блок СОМ-2/2

Рисунок 4.4 - Блок-схема установки для подключения фазосдвигающей цепи

Рисунок 4.5- Детектор произведения

5 Лабораторная работа №5

Исследование однополосной модуляции

5.1 Цель работы: Исследование режимов амплитудного модулятора при однополосной и двухполосной модуляции

5.1.1 Оценить преимущество ОМ–сигнала.

5.1.2 Научиться анализировать спектральные и амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) ОМ–сигнала.

5.1.3 Изучить однополосную и двухполосную модуляцию.

5.1.4 Изучить ОБП детектирование.

5.1.5 Исследовать работу механического фильтра.

5.2 Подготовка к работе

Повторить разделы «Балансная амплитудная модуляция», «Однополосная амплитудная модуляция» [1, с. 98-100, 2, с. 110-115 ], «Балансная и однополосная модуляция» [3,с. 62-64].

5.3 Описание установки

Для выполнения всех пунктов лабораторной работы необходимо иметь:

а) генератор звуковых сигналов (AUDIO генератор) с параметрами:

U _{max вых}=10 В, F_нч=10-100кГц, выходное сопротивление R_вых.=50 Ом;

б) осциллограф; двухканальный 1 кГц, 5 мВ/div;

в) генератор несущей частоты – до 3 МГц, 10 В, выходное сопротивление 50 Ом;

г) частотомер;

д) милливольтметр;

е) лабораторные мультитестер – 20 k /v;

ж) блоки СОМ 3/1, 3/2, 3/3;

з) установка Master Board B-1/A;

и) источники питания +12V, -12V;

к) балансный модулятор;

л) гетеродин.

5.4 Порядок выполнения работы

Рисунки представлены в конце лабораторной работы № 5.

В данной лабораторной работе используются блоки СОМ 3/1, СОМ 3/2, СОМ 3/3. Напряжение питания этих блоков (+12 В) от источника напряжения канала и (-12 В) от источника анодного питания. Блоки СОМ 3/1, СОМ 3/2 и СОМ 3/3 вcтавляются в программную модель МВ-1 DEGEM.

Перед выполнением эксперимента необходимо изучить работу балансного модулятора, который в свою очередь является общим компонентом ОБП оборудования. В данной работе балансный модулятор используется для демонстрации основного метода ОБП – модуляции, а также как часть демодулирующей системы.

5.4.1 Изучение работы механического фильтра

а) Исследование кривой передачи механического фильтра (статический тест)

Собрать схему, показанную на рисунке 5.1. Установить на выходе генератора опорной частоты сигналов (AUDIO генератора) f=20 кГц и U=1 B (клеммы In.), затем, медленно изменяя частоту, измерить выходное напряжение фильтра (клеммы out.), поддерживая входное напряжение постоянным. Данные измерения занести в таблицу 5.1.

Таблица 5.1

f, кГц
Uвых, В

ПРИМЕЧАНИЕ: Так как полосовой фильтр (band past filter) имеет узкую ширину полосы пропускания частот, в заданном диапазоне измерения проводятся с маленьким интервалом частот. Ширина полосы частот (5 1,0 кГц – 0,5 кГц).

б) Исследование кривой передачи механического фильтра (динамический тест)

Собрать схему указанную на рисунке 5.1, однако генератор сигнала (RF signal generator) заменить гетеродином. Отрегулировать гетеродин на U=1 В и f=455кГц. Необходимо модулировать гетеродин с помощью f_нес=455кГц, сделать девиацию в 200 Гц, (см. лабораторную работу №3).

Осциллограф установить на “exit x” генератора развертки. Подсоединить сигнал с f=20 Гц ко входу У осциллографа, на экране появится кривая передачи фильтра; необходимо начертить её и провести анализ.

ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы получить симметричную кривую, можно увеличить напряжение звуко-модулирующего сигнала или изменить резонансную частоту гетеродина на несколько килогерц.

5.4.2 Получение двухполосной модуляции с помощью балансного модулятора.

Блок-схема двухполосной модуляции представлена на рисунке 5.2.

Принципиальная схема для получения двухполосной модуляции представлена на рисунке 5.3.

Установить:

- на гетеродине f_чм=455кГц, U_чм=2В;

- на генераторе звуковой частоты F=4кГц, U=1В.

С выхода модулятора, гетеродина и звукового генератора сигналы подать поочередно на осциллограф, получить и зарисовать формы сигналов. Манипулируя параметрами, получить двухполосную модуляцию. Зарисовать форму полученного сигнала.

5.4.3 Выбор требуемой боковой полосы

Для выполнения данного опыта необходимо получить двухполосный сигнал и ослабить одну боковую полосу. Двухполосный модулированный сигнал на выходе балансного модулятора состоит из двух симметричных боковых полос вокруг резонансной частоты (f_чм=455 кГц; f=4кГц)

Блок-схема ослабления боковой полосы показана на рисунке 5.4, а практическая схема электрическая принципиальная показана на рисунке 5.5.

Чтобы выбрать желаемую боковую полосу, генераторы должны быть настроены на соответствующие частоты. Отрегулировать схему таким образом, чтобы на выходе модулятора появился двухполосный сигнал (см. раздел 5.4.2), затем измерить f гетеродина и отрегулировать ее таким образом, чтобы соблюдалось условие: а) для верхней боковой полосы:

f_LO+f_AF=f_FC

где, f_LO – частота гетеродина;

f_AF- 4 кГц;

f_FC – резонансная частота фильтра, как определено в разделе 5.4.1 (при определении механического или динамического теста). На осциллографе получаем сигнал с ОБП; проверяем, чтобы выходной сигнал фильтра представлял собой гармонический сигнал. б) условие получения нижней боковой полосы:

f_LO-f_AF=f_FC

Зарисовать форму полученного сигнала.

5.4.4 Детектирование ОБП

Блок-схема ОБП детектирование показана на рисунке 5.6

Блок-схема полного канала связи, содержащего ОБП – передатчик и ОБП-приемник, показана на рисунке 5.7.

Частота гетеродина и в передатчике и в приемнике одна и та же. Практическая схема электрическая принципиальная, которую необходимо использовать в экспериментальных исследованиях, показана на рисунке 5.8.

Система настраивается также, как в разделах 5.4.2. и 5.4.3.

Для получения хороших результатов генератор развертки осциллографа должен быть установлен на 1мсек./см.

а) В опыте получить и зарисовать следующие формы сигнгалов:

- модулирующего сигнала (от звукового генератора);

- выходного сигнала двухполосного модулятора;

- выходного сигнала фильтра;

- выходного сигнала усилителя звука (детектированного сигнала);

б) Зарисовать форму выходного сигнала детектора.

5.4.5 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала

Самую большую трудность в определении АЧХ канала представляет правильная настройка гетеродина. Для того чтобы достичь оптимального результата, частота гетеродина должна отвечать следующему условию:

F_LO+f_AF=f_(FC-3dB),

где, f_LO – частота гетеродина;

f_AF - 300 Гц;

f_(FC-3dB) – нижняя частота фильтра (т.е. частота, при которой ослабление в 3 дБ отмечается по сравнению с резонансной частотой).

Определение АЧХ канала можно произвести с помощью ширины полосы фильтра, как описано в разделе 5.4.1. (а); 5.4.2. (б); т.е. изменяя частоту звукового сигнала от 300 Гц – до 5 кГц, измерять выходное напряжение и входное напряжение звукового сигнала. Данные занести в таблицу 5.2.

Таблица 5.2.

f звукового генератора, кГц
Uвх звукового генератора, В
Uвых звукового генератора, В

5.4.6 Проверка влияния разности частоты гетеродина между прердатчиком и приемником

Собрать схему, показанную на рисунке 5.8, но заменить гетеродин в приемнике на внешний генератор звуковой частоты. Настроить гетеродин передатчика, как было объяснено в разделах 5.4.2, 5.4.3 на звуковоую частоту f=2 кГц.

Используя частотомер, измерить частоту гетеродина прердатчика и насторить внешний генератор звуковой частоты (который служит гетеродином приемника) на ту же самую частоту с точностью до 1Гц. Измерить частоту сигнала звуковой частоты на выходе. Изменяя частоту внешнего гетеродина на 10 Гц и на 50Гц, измерить частоту звукового сигнала в каждом случае. Данные занести в таблицу 5.3.

Т аблица 5.3.

fзвукового генератора, Гц
fгет. передат., Гц
U звук. Частот., В

5.5 Обработка результатов

5.5.1 По результатам выполнения 5.4.1 пункта а) (таблица 5.1) построить статическую характеристику фильтра U_вых=f(f_{опор ген}), а затем вычисляем коэффициент К=U_вых/U_{вх.опор.ген.}.

По результатам выполнения 5.4.1 пункта б) построить кривую передачи фильтра и провести анализ полученных результатов.

5.5.2 По результатам выполнения 5.4.2 объяснить формы полученных сигналов.

5.5.3 По результатам выполнения 5.4.3 объяснить формы полученных сигналов.

5.5.4 По результатам выполнения 5.4.4 объяснить формы полученных сигналов.

5.5.5 По результатам измерений (таблица 5.2) построить график зависимости выходного напряжения U_вых . звукового генератора от входного U_вых=f(U_вх), т.е. получить АЧХ канала.

5.5.6 По результатам измерений (таблица 5.3) построить график амплитуды напряжения звуковой частоты как функцию разности частот между гетеродинами.

5.6 Выводы

5.6.1 Какую функцию выполняет фильтр в приведенных в работе схемах.

5.6.2 Какую функцию выполняет гетеродин в приведенных в работе схемах.

5.6.3 В чем преимущества ОБП по сравнению с двухполосной, а также модуляцией без подавленной несущей.

5.7 Вопросы для самопроверки

5.7.1 Как записывается математическая модель однотонального АМ-сигнала с балансной модуляцией?

5.7.2 Как записывается математическая модель однотонального ОБП – сигнала с подавленной нижней боковой частотой?

5.7.3 Как изображается спектральная диаграмма сигнала с балансной модуляцией?

5.7.4 Как изображается осциллограмма сигнала с балансной модуляцией?

5.7.5 В чем заключаются преимущества ОБП- сигналов?

5.7.6 Как изображаются огибающие однотональных модулированных сигналов при М=1 для ОБП-сигнала и обычного АМ-сигнала?

1 генератор опорной частоты сигналов

2 полосовой фильтр

3 осциллограф

Рисунок 5.1- Проверочная схема для работы механического фильтра

	OSCILLATOR

1 гетеродин

2 звуковой генератор

3 балансный модулятор

Рисунок 5.2-Блок схема двухполосной модуляции

Дата добавления: 2014-12-07