4.3 Опис лабораторного макета

Лабораторний макет складається із генератора високої частоти , блока живлення та вимірювальних пристроїв.

Генератор високої частоти складається із задаючого генератора з частотою 2МГц, буферного каскаду та вихідного підсилювача модульованого сигналу високої частоти, схема якого зображена на передній панелі макета. Цей підсилювач виконаний за схемою з загальним емітером, живлення у колі колектору та бази  послідовне ; колекторним навантаженням є паралельний коливний контур, частково підключений до колектору ; напруга збудження подається через високочастотний трансформатор.

На лабораторному макеті можливо дослідити колекторну та базову модуляції. Для цього необхідно тумблер “ Амплітудна модуляція “, який знаходиться на передній панелі макету, встановити в положення “ Колекторна “ або “ Базова “ відповідно.

Під час дослідженні колекторної модуляції знімається СМХ при зміні Е_к ручкою “ +Е_к “ в межах 0-20 В. Напруга на базі при цьому встановлюється автоматично і фіксується. Постійну складову струму колектора та напругу на колекторі вимірюють пристроями, вмонтованими у передню панель макету. Напруга що модулює подається від зовнішнього звукового генератора до виведених на передню панель гнізд низькочастотного трансформатора, який ввімкнено послідовно з джерелом живлення колектора. Аналогічно при базовій модуляції напругу зміщення регулюють ручкою “ Е_зм “ в межах +1 та -1В і вимірюють її тим самим пристроєм, що і “ Е_к”, з урахуванням змінених меж вимірювання. Напруга на колекторі при цьому встановлюється номінальна. Напруга що модулює подається від зовнішнього генератора до низькочастотного трансформатора у коло бази. Високочастотну модульовану напругу знімають з контуру кола колектора.

4.4 Порядок виконання роботи

4.4.1 Зняти статичні модуляційні характеристики для базової та колекторної модуляції.

4.4.2 Побудувати статичні модуляційні характеристики та визначити режим носійної частоти для кожного виду модуляції, а також максимального значення модулюючої напруги U_, яка забезпечує m = 1.

4.4.3 Встановити режим носійної та зняти динамічні модуляційні характеристики для базової та колекторної модуляції по черзі. Провести моделювання на ПК.

4.4.4 Виконати індивідуальне завдання.

Індивідуальні завдання

1. Оцінити вплив на якість базової модуляції зміни напруги зміщення у зазначених викладачем межах відносно оптимального. Навести осцилограми.

2. Вказати як можна перевірити симетричність базової модуляції, використовуючи пристрої макета.

3. Змінити фіксоване зміщення від джерела постійного струму на автозміщення і дослідити якість базової модуляції під час автозміщення. Сформулювати рекомендації до використання характеру зміщення.

4. Дослідити вплив величини блокуючих елементів та розділових конденсаторів на модуляційні характеристики при базовій модуляції, сформулювати рекомендації до вибору величин цих елементів. Провести моделювання на ПК.

5. Дослідити вплив напруги колекторного живлення Е_к на хід СМХ при базовій модуляції. Сформулювати рекомендації до вибору Е_к.

6. Дослідити вплив опору навантаження на хід СМХ при базовій модуляції. Сформулювати рекомендації до вибору цього опору.

7. Виміряти потужність і ККД при базовій модуляції в режимі мовчання і максимальному режимах. Порівняти ці значення між собою. Зробити висновки.

8. Виміряти потужність і ККД при базовій модуляції в режимі мовчання і в режимі модуляції при m = 1. Порівняти ці значення між собою. Зробити висновки.

9. Вказати, як можна перевірити симетрію колекторної модуляції, використовуючи пристрої макету.

10. Дослідити вплив напруги зміщення на базі Е_б на хід СМХ при колекторній модуляції. Сформулювати рекомендації до вибору Е_б.

11. Як відомо, вихідний сигнал амплітудного модулятора формується за допомогою смугового фільтра, який виділяє спектр корисного коливання з безлічі комбінаційних гармонік струму колектора модуляторного транзистора.

Наприклад, для випадку однотональної модуляції, яка і розглядається у даній лабораторній роботі, потрібно відокремити спектр корисного коливання (носійна f₀ і дві бокові компоненти ( )) від інших найближчі з яких – (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Спектрограма колекторного струму та АЧХ реальних та ідеальних фільтрів

У реальності ідеальний фільтр, АЧХ якого вказано пунктиром, замінюється реальним, зокрема – паралельним коливним контуром (АЧХ якого показана суцільною лінією). Тому у вихідному сигналі будуть присутні спектральні компоненти які заважають (n=2,3,4,…), величина яких залежить від добротності фільтруючого контуру. Їх присутність призводить до підвищення коефіцієнту нелінійних спотворень.

Згідно з індивідуальними даними, які містить таблиця 4.1, розрахувати опір втрат (r_к) паралельного коливного контуру (який виступає у якості смугового фільтра) за критерієм заданого ослаблення компонент D[дБ].

Порядок розрахунку:

1. Переходимо від значень D у децибелах до величини ослаблення d у разах:

2. Визначаємо узагальнену розстройку ξ:

3. Виходячи з виразу:

,

знайти чисельну оцінку потрібної еквівалентної добротності Q_E.

4. Використовуючи співвідношення , знайдемо ,

де – еквівалентний характеристичний опір контуру.

Таблиця 4.1 – Індивідуальні розрахункові дані

№ з/п	D[дБ]	f0(кГц)	Ω(кГц)	Lк(мкГн)	Ск(pF)
1	20	200	5	500	–
2	22	210	6	–	1000
3	24	220	7	480	–
4	26	230	8	–	1200
5	28	240	9	520	–
6	30	250	10	–	900
7	32	260	11	540	–
8	34	270	12	–	800
9	36	280	13	560	–
10	38	290	14	–	700
11	40	300	15	580	–
12	38	310	16	–	750
13	36	320	17	600	–
14	34	330	18	–	600
15	32	340	19	620	–
16	30	350	20	–	580
17	28	360	19	640	–
18	26	370	18	–	560
19	24	380	17	660	–
20	22	390	16	–	540
21	20	400	15	680	–
22	22	410	14	–	520
23	24	420	13	700	–
24	26	430	12	–	500
25	28	440	11	720	–
26	30	450	10	–	480
27	32	460	9	740	–
28	34	470	8	–	460
29	36	480	7	760	–
30	38	490	6	–	440

4.5 Зміст звіту

В звіті повинні бути:

електричні схеми генератора при базовій та колекторній модуляції з підключеними вимірювальними приладами;

розрахунок максимального режиму та режиму носійної;

результати вимірювань, які зведено до таблиці;

графіки одержаних статичних та динамічних модуляційних характеристик;

короткі висновки з аналізу отриманих характеристик та розрахованих даних;

опис дослідження, аналіз результатів та висновки за індивідуальним завданням.

4.6 Контрольні запитання та завдання

1. З якою метою знімають статичні та динамічні модуляційні характеристики?

2. Як обрати режим носійої при базовій та колекторній модуляціях ?

3. У чому містяться переваги та недоліки обох видів модуляції ?

4. Чому неможна здійснювати модуляцію у лінійному режимі роботи генератора ( без відсічки ) ?

5. Чим пояснити нелінійність амплітудної динамічної модуляційної характеристики ?

6. Чим пояснюється спад динамічної частотної модуляційної характеристики на високих та низьких звукових частотах ?

7. Що можна сказати за режим генератора, якщо включення модулюючої напруги викликає зменшення струму І_к0 ?

8. Пояснити хід СМХ при різних напруженнях режиму.

9. На яку потужність необхідно обирати транзистор, якщо вказана Р_мов та m=1?

10. Які вимоги можуть бути висунені до модулятора для отримання мінімальних нелінійних спотворень ?

11. Чому при базовій модуляції не рекомендується застосовувати автозміщення у базовому колі?

5 ДОСЛІДЖЕННЯ ЧАСТОТНОЇ МОДУЛЯЦІЇ

ТРАНЗИСТОРНОГО АВТОГЕНЕРАТОРА ЗА

ДОПОМОГОЮ ВАРИКАПУ

5.1 Мета роботи

Мета роботи  дослідження прямого методу частотної модуляції за допомогою варикапу та принципової схеми автогенератора з частотною модуляцією; дослідження якісних характеристик частотної модуляції.

5.2 Методичні вказівки до організації самостійної роботи студентів

Ознайомитися з лабораторним завданням та методичними вказівками до його виконання.

Вивчити прямі та непрямі методи частотної модуляції [1, с. 304 ].

Ознайомитися з принципом роботи, правилами експлуатації девіометра та принциповою схемою макета за рис. 5.1

Рисунок 5.1 – Електрична принципова схема макету

Студентам необхідно знати , що варикапи - це напівпровідникові прилади, виготовлені спеціально для використання у якості електрокерованих ємностей. Для частотної модуляції (ЧМ) використовується головним чином ємність запертого p-n переходу варикапа. Бар’єрна ємність має високу добротність, малий температурний коефіцієнт, слабку залежність від частоти. Залежність диференційної ємності запертого p-n переходу від прикладеної напруги описується виразом

(5.1)

де А  постійний коефіцієнт ;

n  коефіцієнт, який залежить від закону розподілення домішок у напівпровіднику ;

n =1/3  плавний перехід ;

n = 1/2  різкий перехід ;

n =5  надрізкий перехід ;

 контактна різниця потенціалів, яка дорівнює 0.5-0.7 В ;

U  напруга на варикапі.

У техніці частотної модуляції варикапи з плавним переходом, які забезпечують великі нелінійні спотворення та малу крутість модуляційної характеристики, майже не використовуються.

Щоб зменшити вплив температури на ємність варикапу, обирають по можливості U >> , тоді С_м (U) = А (U). Звичайно у паспорті на варикап вказується його номінальна ємність С_{м ном} при визначеному U_ном ( звичайно U_ном=4В ).

Тоді ємність варикапу, за будь-яким зміщенням U_мо, можна знайти за формулою

( 5.2)

Під час модуляції на варикапі змінюється напруга за законом :

(5.3)

Максимальна напруга на варикапі не повинна перевищувати допустимої, щоб запобігти пробою. Максимальна напруга повинна бути більше нуля, щоб забезпечити запертий стан. При відкриванні переходу паралельно його бар’єрній ємності добавляється велика дифузійна ємність. Остання, шунтована малим опором відкритого р-n переходу, має малу добротність, велику залежність від температури, високий рівень шуму, що викликає нелінійність, спотворення та паразитну амплітудну модуляцію автогенератора. Звичайно беруть U_мmin= 0.2-0.3В для германієвих та U_мmin= 0.1В для кремнієвих діодів.

Частотна модуляція звичайно супроводжується частотними та нелінійними спотвореннями модулюючої напруги, а також паразитним впливом самого модулятора на частоту та амплітуду коливань автогенератора : температурні та режимні відхилення генеруємої частоти, за рахунок модулятора, паразитна амплітудна модуляція, вплив старіння елементів модулятора, його шум та фон.

Частотні спотворення виникають за рахунок непостійності амплітуди модулюючої напруги U_М на варикапі при зміні модулюючої частоти, та визначаються величинами блокуючих елементів.

Паразитна амплітудна модуляція може бути викликана зміною режиму автогенератора під час його перестройці, внаслідок зміни еквівалентного опору навантаженого коливного контуру автогенератора за рахунок зміни хвилевого опору, та витрат у варикапі в процесі модуляції.

Зміна середньої частоти автогенератора відбувається за рахунок непостійності ТКЄ еквівалентної ємності модулятора та її нелінійності.

Максимальну відносну девіацію частоти можна визначити ( при n=1/2 ) так :

(5.4)

де р - коефіцієнт включення варикапу до контура,

С_n  ємність контуру автогенератора ;

U_m амплітуда напруги модулюючої частоти ;

С_мо ємність варикапу при напрузі U_мо.

Нелінійні ефекти при модуляції визначаються двома факторами : нелінійністью залежності частоти генерації від ємності коливного контуру та нелінійністью залежності ємності р-n переходу від прикладених напруг U_, U_. Нелінійний зсув частоти та коефіцієнти гармонік модулюючої напруги залежать від величини девіації, тобто від величини модулюючої напруги. Коефіцієнт спотворень за другою гармонікою К_2 має найбільше значення та визначається за формулою (при n=1/2)

(5.5)

Перший член цього виразу визначається нелінійною залежністю частоти від ємності коливного контуру, другий та третій члени - нелінійністью вольт-фарадної характеристики варикапу. У більшості схем модуляторів р << 1 та нелінійні ефекти в основному визначаються вольт-фарадною характеристикою переходу варикапа. В останньому третьому члені відображається вплив високочастотної амплітуди U_m на характер зміни ємності варикапу: при її збільшенні ці нелінійні властивості підкреслюються.

Підставивши (5.4) у (5.5), одержимо :

(5.6)

З цієї формули видно, що при завданій девіації частоти нелінійні спотворення можуть бути зменшені при більш повному включенні варикапу до контура, або при збільшенні ємності варикапу С_мо в точці спокою. Це призводить до виродження лінійної коливальної системи автогенератора, та до різкого збільшення дестабілізуючих факторів модулятора на носійне коливання, так як при цьому збільшується вплив нестабільності від температури контактної різниці потенціалів .

Для компенсації ТКЄ модулятора, послідовно ввімкнену з ним ємність зв’язку беруть з великим від’ємним ТКЄ.

Зміна середньої частоти автогенератора відбувається за рахунок непостійності ТКЄ еквівалентної ємності модулятора та її нелінійності. Якщо напругу високої частоти, яка діє на модуляторі, прийняти за формою синусоїдальною, то компоненту нелінійного зсуву ємності модулятора, за рахунок цього сигналу, можна визначити за формулою

Відповідний відносний зсув середньої частоти автогенератора

Якщо амплітуда автогенератора постійна, то постійна величина f_о може бути врахована градуюванням шкали автогенератора. За будь-якою зміною U_m змінюється також С_мо та f_о.

.

Величина нелінійного зсуву середньої частоти від амплітуди модулюючої напруги буде записана як: