Сурет 2 -АМ сигналының детектрленуі

Аспап жасау кафедрасы

N 4 лабораториялық жұмысына тәжірибелік нұсқау

«АМПЛИТУДАЛЫ МОДУЛДЕНГЕН СИГНАЛДАРЫНЫҢ ДЕТЕКТРЛЕНУІН ЗЕРТТЕУ»

«Өлшеуіш сигналдардың қайта қалыптасуы» пәні бойынша

340640 «Ақпараттық өлшеуіш техника»

мамандығының студенттері үшін

АРАҒАНДЫ 2014

Жұмыстың мақсаты: Амплитудалық- модульденген сигналдардағы детекторлану кезіндегі физикалық процесстерді зерттеу және схема параметрлерінің детекторлар жұмысына ықпалы.

1 Жалпы мәліметтер

1.1 Амплитудалық демодуляция

АМ спекторларында модульденген сигналға сәйкес келетін, төмен жиілікті құраушылар жоқ. Хабарлама сигналын құру үшін, кері модуляциялық болатын, детектирлеу жүргізу қажет.Детектирлеу, модуляция сияқты– сигналдардың сызықты емес түрленуі. Сызықты емес элемент шығару спекторын жаңа спектральді компоненттер байытады, ал фильтр төмен жиілікті компонентерді ерекшелейді. Сызықты емес элементтер ретінде вакуумдық диодтарды, транзисторларды, жартылай өткізгіштік диодтарды қолдануға болады. Көбінесе жартылай өткізгіштік диодтар негізінде тек қана нүктелік диодтарды қолданылады, өйткені жазық диодтардың үлкен кірістік сыйымдылығы бар. АМ дағы сигналдардың детектирленуін қарастырайық. Бірінші суретте амплитудалық детекторлардың сызбалары көрсетілген.

Сурет 1 – тізбектей жалған (а) және параллель(б) диодты АМ детекторлар схемасы.

Амплитудалық детекторлардың негізгі параметрлері мен мінездемелері:

1. Түзеткіштер сипаттамаларының класы .

2. Модулденбеген сигнал үшін беріліс коэффициенті

3. Модулденген сигнал үшін беріліс коэффициенті , мұндағы - детектордың шығыстық кернеуінің амплитудасы.

4. Детектордың кірістік кедергісі , мұндағы - бірінші гармониканың тогы..

5. детекторының кірістік кедергісі.

6. Фазалық және жиілікті ауытқулар

7. Сигналдың сызықтық емес ауытқуы , мұндағы - детектор жүктемесінің кедергісіне бөлінетін шығыстық сигналдың гармоникалық қуаты.

8. ТАСЫМАЛДАУШЫ ТЕРБЕЛІСТЕР БАСУЛАРЫНЫҢ КОЭФФИЦИЕНТІ . өлшемі детектордың схемасынан,сүзгі параметрінен, детектор жұмысының режимі және түрінен тәуелді.

Тізбекті детектор схемасының мысалында АМ сигналының детектрлену процесін қарастырайық.

а)Диод арқылы өтеті ток диаграммасы (қалың сызық – орташа ток), б) осы токтың спектрі, в) шығыстық кернеудің спектрі

Сурет 2 -АМ сигналының детектрленуі.

Осы тізбектің кірісіне АМ сигналын бергенде, онда ВЧ тербелісінің амплитудасына пропорционалды импульсті ток жүреді (сурет 2а).Төменгі жиілікті RC-сүзгісі ток импульсін интегралдайды және детектордың шығысында алғашқы сигнал туралы ақпаратқа ие ток импульсінің төменжиілікті айналатын пайда болады. Конденсатордың разряд және заряд уақыттарының әр түрлі болатынына назар аудару керек, яғни мұндағы - тура бағыттағы диодтың кедергісі, С – R детекторының жүктемесіндегі кедергіні шунтталған сыйымдылығы, ал конденсатор разрядының уақыттық тұрақтысы.Әдеттегідей, бұл уақыттар (мысалы - ондаған-жүздеген Ом, - бірлік-ондаған кОм) болғандықтан қатты өзгешеленеді. Төменгі жиілікті сүзгінің уақыттық тұрақтысы айналатын АМ тербелісінің ауытқымаған жаңғыртуын және жоғары жиілікті пульсациялардың қажетті деңгейлестіруін қамтамасыз ету үшін таңдалады:

,

мұндағы - модулдеуші сигнал спектріндегі ең жоғарғы жиілік (әдетте және бұл шарттар орындалады).

Детектор жұмысының екі режимі болуы мүмкін: квадраттық және «сызықтық». Детектордың кірісіне АМ сигналын аз амплитудамен бергенде квадраттық режим қалыптасады. Екінші сатылы полином түрінде диодтың (сурет 3а) жұмыстық сипаттамасын суреттейік:

.

Анализдің қарапайымдылығы үшін модулдеуші сигнал бұл – гармоникалық тербеліс (сурет 3б) деп санайық және . Бұл сигнал АМ детекторға әсе еткенде диодтың тізбегінде ток пайда болады (сурет 3в):

.

Қайта жасаудан кейін диодтағы токтың спектральды құрамын мына түрде көрсетуге болады (индекстар гармониканың жиілігін көрсетеді) :

.

Токты құрайтындар RC –сүзгісінен өтеді. Қалған токтар детектрлену нәтижесін көрсетеді. Оларды (3в суретінде бұл ток қалың және тұтас сызықпен көрсетілген) деп белгілеп және үшін мәндерді көшіреміз, мұндағы алынған мәннің бірінші,екінші және төртінші мүшелері тұрақты құраушыны көрсетеді. Үшінші мүше – жиілікті токтың құраушысы-ол пайдалы, ал соңғы жиілікті мүше сызықтық емес ауытқуын көрсетеді:

.

Сонымен, әлсіз сигналдардың детектрленуін төменжиілікті құраушының амплитудасы тасымалдаушы жиіліктің амплитудасының квадратына пропорционалды болуынан квадраттық детектрлену деп атайды.

Квадраттық детектрлену кезіндегі гармоник коэффициенті мынаған тең:

Мысалы, m=100% - .

Тікбұрыш айналатын жоғарыжиілікті импульстердің квадраттық детектрленуі кезінде шығыстық импультердің формасы кіріске әсер ететін айналатын ВЧ кернеуінен өте аз ерекшеленеді. Бірақ, егер детектордың кірісіне гармоника саны көп,күрделі сигналмен модулданған жоғарыжиілікті тербеліс берілсе, онда детектордың шығысында негізгі жиілік және олардың гароникасынан басқа көп санды комбинациялы жилік пайда болады. Терең модуляция кезінде бұл шығыстық сигналдың тембрына және анықтығылығына өте қатты әсер етеді. Сондықтан квадраттық детектрленуді сигналдың бұрмаланбаған жаңғыртуы қажет жағдайда қолданған тиімсіз.Детектрленудің бұл түрі жалпы өлшеуіш техникада, радиолокацияларда және т.б. қолданады.

Сурет 3 – АМ сигналының квадраттық детекторының жұмысын айқындайтын графиктер.

«Сызықтық» детектирлену режимін қарастырайық. Детектор жұмысының бұл режимінде оның кірісіне үлкен амплитудалы модулденген сигнал беріледі. Сонда диодтың сипаттамасын төменгі иілімнің қисықсызықтығын ескермей, сынған түзумен жуықтауға болады (сурет 4а):

,

мұндағы S – ВАС крутизнасы. Детектордың кірісіне токтың оң амплитудаларының айналдырушысы үшін АМ сигналын бере отырып (сурет 4б) , шығысында мынаны аламыз: , ал үшін ток айналдырушысының орташа мәні (4в суретінде қалың сызықпен көрсетілген) . Токтың жоғарғыжиілікті компоненті RC–сүзгісімен фильтрленетіндіктен, шығыс сигналының спектр құрамында тек тұрақты ток және модуляция коэффициентіне пропорционалды амплитудаға, және модулдеуші сигнал жиілігіне тең төменгіжиілікті жиілік болады.

Сонымен, сызықты диод детекторында сызықтық емес ауытқулар болмайды. Оған қоса, сызықты детектордың берілу коэфициенті квадраттықтан жоғары. Жоғарыда қарастырылған детектрлену процесі сызықтық деп аталғанмен, детектрлену – нәтижесінде кірістік сигналда болмаған жаңа спектрлік құрамдары пайда болатын сызықтық емес процесс екнін ескеруіміз қажет. «Сызықтық» деген атау қалпына келген төменгіжиілікті сигнал ВЧ кірісіне пропорционалды екенін көрсетеді.

Диодты детектор сигнал көзі болып табылатын тізбекке шунтталған әрекет жасайды. Детектордың кірістік кедергісін энергетикалық түсініктен табамыз. Детектрмен пайдаланылатын жоғарыжиілікті тербелістің қуаты диодтың кедергісінде және жүктеменің кедергісінде басылады: .

қуаттарын құраушысы, диод арқылы өтетін бірінші гармоника тогы (оның амплитудалық мәні) және токтың орташа квадраттық мәні арқылы көрсетеміз: Егер болса, онда . Сондықтан, немесе . Сонымен, . Егер болса, онда , сондықтан : .

Жоғарыда қарастырылған детекторлар негізінде бірпериодты түзеткіш схема болып табылады. Екітактылы детектор схемасы (сурет 5а) едәуір жиіқолданылады.

Детектордың қуат көзі сигналдың қарсыфазалы кернеуімен жүзеге асады. Осындай детектордың толық кіріс кедергісі - , ал шығыстық - (схеманың толық симметриялығы кезінде). Мұндай детектордың артықшылығы болып шығыс кернеуінің пульсация жиілігінің тасымалдаушы тербеліс фильтрациясын жеңілдететіндей екі есе көптігі болып табылады.

Сурет 4 –Сызықты детектордың жұмысын көрсететін графиктер.

Детектордың шығыстық кернеуін жоғарылату үшін кейде кернеуі екі еселенген схема қолданылады (сурет 5б).

Сурет 5 – Екітактілі детектор – а) және кернеуі екі еселенген детектор схемасы – б)

1.2 Диодты детекторлар

Көбінесе замануи қабылдағыштарда германийлік диодтардағы амплитудалық детекторларды қолданады. Егер детектрлену ВЧ сигналды детектрге әкелетін маңызды деңгейде өндірілсе,онда диодты детектордың тізбекті схема бойынша орындалған (сурет 6) диодты детектордың кіріс кедергісі , параллельді схема бойынша орындалған детектордың кедергісі болады.

Детектордың шығысындағы ЗЧ кереуі:

Мұндағы m — модуляция коэффициенті;

К_д —передачи детектордың беріліс коэффициенті;

U_вч — ВЧ тұжырымдалатын кернеуі.

Сурет 6 – тізбекті схема арқылы жалғанған диодты детектор

Транзисторлы қабылдағыштардың детекторлық каскадтары сигналдын аз тұжырымдалған кернеуімен (30-300мВ) және жүктеменің аз кедергісімен (2-15кОм) жұмыс істейді.

Бұл транзисторлы дыбыстық күшейткіш жиіліктерінің кірісі мен детекторлы каскадтың шығысы келісуі үшін қажетті. Гармоникаларға кіретін сигналдардың төмен деңгейде болуы, тұрақты ток бойынша өтетін детектор диодының тәртібі мен аралық жиілікті жиіліктің шығу күшейткіші детекторлармен келісімдерінің дұрыстығына тәуелді. Әдетте, детекторлы каскадтан шығуда, автоматты реттелу күшейткіштерінен тұрақты ток кернеуі түсіп жатады.Транзисторлы қабылдағыштарда бұл транзистордың қоректену шынжыр базасының УПЧ каскадына лайықты диодытың жылжу қажеттілігіне әкеледі.

Диод арқылы өтетін ток, түбегейлі шарада детектордың берілу коэффициентін және оның кіру сигналының деңгейіне тәуелділігін анықтайды.Өз кезегінде детектордың берілу коэффициент мәніне, оның кіріс кедергісі тәуелді:

Сигнал деңгейінің өзгеруі кезінде детекторлы каскадтың кіріс кедергісі өзгеретіні анық, және УПЧ шығуымен детектордың келісу шарттары өзгереді.Гармоникалардың минималды коэффициенті әбден нақтылы шарттарда ғана пайда болады. Соңғы УПЧ каскадының күшейткіш қасиеттерін тиімді пайдалану үшін, детекторға ең төмен болып тұжырымдалатын кернеуді 30 — 50 мВ кернеуін санау қажет. Детектордың берілу коэффициенті жуық шамамен 0,2 ге тең. УПЧ контурына қосылу детекторының қажетті коэффициенті, келесі формуламен анықталады:

Мұндағы р_д — байланыс катушкасының орамдар саны мен УПЧ каскадының соңғы контурлы катушкасының орамдар саны детекторымен байласына тең, детектордың қосылу коэффициенті;

К_д — детектордың беріліс коэффициенті (сурет 7);

R_ос — жүктелмеген контурдың эквивалентті кедергісі..

Сурет 7 – Детектордың берілу коэффициенті

Бұндай әдісте, УПЧ шығуымен детектордың келісуі, УПЧ кірісінде кернеудің көбею кезінде детектордың кернеуі өзгеріссіз қалады.Детектор мінездемелерінің сызықтық еместігі, оған кіретін кедергілердің сызықтық еместігімен орын толтырып жатыр, бұл гармоникалардың коэффициентің төмендетіп жатыр.Детектор диодына тұжырымдалатын тұрақты араластыру, диод арқылы үлкен емес ток 1 — 5 мкА алу үшін қажет. Әдетте, қабылдағыштар схемасына айнымалы резисторлар енгізіп, оларды реттеуді кіші сызықты емес бұрмалануларды қамтамасыз етеді.

8 суретте шынжырланған екі жартылай периодты детектор схемасы көрсетілген, ол тұрақты токта детекторды таңдау тәртібін қамтамасыз етеді.

Сурет 8 – Екіжартыпериодты детектор

1.3 Транзисторлардағы детекторлар

Кері басланысты транзисторларда детекторлар орын үнемдеу мақсатында қарапайым транзистор қабылдағынтарда қолданылады. ПОС ты қолдану детекторлы каскад кіру жағынан сезгіштікті жоғарлатуға және оның арқасында УРЧ каскадтарының немесе УПЧ қабылдағыштарының санын азайтуға мүмкіндік береді.Контурға транзистор базаларының қосылуы 0,2— 0,5 болуы керек; бұл жағдайда кері байланыс әсерінен түбегейлі күшейту алуға болады. f_гр>60 МГц транзисторды қолдану кезінде детектор КВ диапазонында да жұмыс істей алады, алайда мұндай детекторы бар қабылдағыштар әдетте тұрақсыз жұмыс істейді және оларды қалпына келтіру қиын.

Сурет 9 – Оң кері байланысты детектор.

Заманауи транзисторлы қабылдағыштарда, әсіресе микросхемаларды қолданумен, эмиттерлі детекторлар кең тарау алды (сурет 10).Оның ерекше айырмалығы болып,гармоникалардың төмен коэффициенті болып табылады.

Мұндай детектор алдыңғы каскадтың (Т₁) УПЧ (УРЧ) коллекторлық жүктемесіне тікелей жалғануы мүмкін және оның жүктемелі кедергісінде (R3 және R4 резисторлары) сигнал жоқ кезде тұрақты токтың кернеуі алдыңғы каскад коллекторына қарағанда 0,2 — 0,6 В-ке аз болады.

Бұл кернеуді ,АРУ мен қамтылған, каскад транзисторының жұмыс нүктесін айқындау үшін қажет.Сигнал бар болған жағдайда, бұл кернеуге радиостанциямен қабылданатын, көтергіш жиіліктің тіктелген кернеуі қосылады. Т₂ (детектор) транзистор базасына модуляция тереңдігі 30% болатын жоғарыжиілікті кернеуді жинаөтағанда, детектордың шығысында дыбыстық жиіліктің (ЗЧ) 10 мВ кернеуі және АРУ тізбегі үшін тұрақты токтың 40 мВ-ке жуық кернеуі болады.Конденсатор С2 міндетті түрде коллекторлы транзистормен бірлескен түрде болуы керек, жағымсыз жағдайда бірнеше каскады бар РЧ трактілі қабылдағышта өздігінен қозу пайда болады. Детектордың жиілікті мінездемесі конденсатор сыйымдылығынан аз тәуелділікте болады, өйткені детектордың шығу кедергісі төмен. р-n-р транзисторларын Т₂ сапасында қолдану үшін қорек көзінің полярлығын өзгерту қажет;Т₁ транзисторының құрылымындай Т₂ транзисторын тиімді қолдану.

Кремнийлік транзисторды қолданғанда детектордың шығыстық кернеуі сигнал жоқ кезде Т₁ коллектордағы кернеуден 0,6 В-ке кіші, ал германийлікте 0,15 — 0,2 В-ке кіші.

Мұндай детектор кең жолақты УПЧ мен жақсы келіседі.

Сурет 10 – Эмиттерлік детектор

2 ЖҰМЫСТЫҢ ОРЫНДАЛУ РЕТІ

2.1 ПОДВОДИМЫЙ ВЧ кернеуі, модуляция коэффициенті, детектордың беріліс коэффициентінің берілген мәндері арқылы детектордың шығысындағы ЗЧ кернеуін анықтау (сурет 6, 8);

· тізбекті схемамен орындалған диодты детектордың кіріс кедергісісін және параллельді схемамен орвндлған детекторың кедегісін есептеу;

· бақылау сұрақтарына жауап беру.

Тапсырма нұсқалары.

1 кесте

№	Uвч, В	m	Kд	Rн, кОм
1 (сурет 6)	0,5		0,1
2 (сурет 6)	0,7		0,15	18,5
3 (сурет 6)	0,9		0,2
4 (сурет 6)	1,2		0,3
5 (сурет 6)	3,0		1,0
6 (сурет 6)	1,0		0,24
7 (сурет 6)	1,4		0,36
8 (сурет 8)	1,6		0,4	7,4
9 (сурет 8)	1,8		0,42	4,1
10 (сурет 8)	2,0		0,5	4,5
11 (сурет 8)	2,2		0,54	3,0
12 (сурет 8)	2,4		0,6	3,6
13 (сурет 8)	2,6		0,7	2,9
14 (сурет 8)	2,8		0,85	2,5
15 (сурет 8)	2,9		0,9	2,1

2.2 Жұмысты орындау мысалы:

№	Uвч, В	m	Kд	Rн, кОм
5 (сурет 6)	3,0		1,0

Детектордың шығысындағы ЗЧ кернеуі

Тізбекті схемамен орындалған диодты детектордың кіріс кедергісі

Параллельді схемамен орындалған детектордың кедергісі .

3 НӘТИЖЕНІ ҚОРЫТЫНДЫЛАУ

Есеп беру келесі бөлімдерден тұруы керек:

1 Жұмыстың мақсаты;

2 Есептеу нәтижелерін қорытындылау мен детектор схемасынан;

Оформление результатов вычислений по заданному варианту и схему детектора;

3 Мұғаліммен қойылған, бақылау сұрақтарының жауаптарынан.

ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫСҚА АРНАЛҒАН БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАР

1. Модуляция дегеніміз не? Ол қандай мақсатта қолданылады?

АМ спекторларында модульденген сигналға сәйкес келетін, төмен жиілікті құраушылар жоқ. Хабарлама сигналын құру үшін, кері модуляциялық болатын, детектирлеу жүргізу қажет.

2. Тасымалдаушы тербеліс модуляция түрі қалай анықталады?

. өлшемі детектордың схемасынан,сүзгі параметрінен, детектор жұмысының режимі және түрінен тәуелді.

3. Радиосигналдың тасымалдаушы жиілік түрі қалай анықталады?

4. ВЧ тербелісінің амплитудалық модуляциясы қалай жүзеге асатынын уақытша диаграмма арқылы көрсет. Бұл жағдайда қандай процесстер жүреді?

5. АМ сигналы үшін сызықтық емес ауытқулардың пайда болуын уақытша диаграмма көмегімен графикалық құрылыммен көрсету.

6. АМ сигналын модуляция коэффициентінің физикалық мәні қандай?

7. Амплитудалық модуляцияның кемшіліктері?

8. АМ сигналының m анықтау, егер

9. Егер болса, онда контурдағы ВЧ тербелістерінің амплитудалары қандай?

10. АМ сигналдарының бөгелу шыдамдылығын салыстыру.

11. Жиілікті модуляцияның индексін анықтау , егер .

12. Радиохабарда, теледидарда дауыс бру үшін қандай мәндері қолданылады?

13. Детектрленудің квадраттық режимінің сызықтықтан айырмашылығы?

14. Детектрленудің квадратық режиміне қандай кемшіліктер сай?

15. АМ сигналдың детектрленуі қалай жүзеге асатынын уақытша диаграммалар арқылы көрсету. Бұл жағдайда қандай процесстер жүреді?

16. Детекторлар схемаларында қандай жағдайда жиілікті және сызықтық емес ауытқулар пайда болады?

17. АМ детекторларды қандай сипаттамалар мен параметрлер арқылы сипаттаға болады?

18. УЗЧ транзистор кірісімен детекторлы каскад шығысын қиыстыру үшңн қандай шарттар қажет?