5.3 Опис лабораторного пристрою

Лабораторний пристрій складається з допоміжного макету, вимірювача девіації, електронно-лічильного частотоміру, вимірювача нелінійних спотворень, звукового генератора, осцилографа.

Допоміжний макет виконано у вигляді настільного блоку з окремим стабілізованим джерелом постійної напруги.

Вимір частоти f_о(U_мо) здійснюється за допомогою електронно-лічильного частотоміру. Девіація частоти вимірюється девіометром. Спотворення модуляції визначаються за формою напруги на виході частотного детектору вимірювача частотної модуляції ( девіометра ).

Осцилограф дозволяє спостерігати форму цієї напруги, а вимірювач нелінійних спотворень дозволяє визначити кількісно коефіцієнт гармонік у цій напрузі.

Схема частотної модуляції на варикапі, яка досліджується, наведена на передній панелі допоміжного макету. Сам макет містить у собі автогенератор (частота біля 20 МГц ), буферний каскад у вигляді емітерного повторювача, частотний модулятор. Автогенератор зібрано на транзисторі за схемою ємнісної триточки. Частотний модулятор зібрано на варикапі Д901, який під’єднано до контуру автогенератора частково, з коефіцієнтом включення р = 0.2.

Амплітуда високочастотних коливань U_м на варикапі дорівнює 1В, а напругу зміщення можна змінювати від 0 до 13В.

Для дослідження можливості компенсації нелінійних спотворень у схему введено компенсуючий діод типу Д223, який має характеристику передачі модулюючої напруги з характером нелінійності зворотнім у порівнянні з нелінійністю функції С_м(U_мо). Умова компенсації спотворень у діапазоні модулюючих частот досягається підбором режиму діода-компенсатора. Практично компенсація здійснюється легко, якщо спостерігати за рівнем нелінійних спотворень модулюючої напруги під час змінення струму діода-компенсатора.

5.4 Порядок виконання роботи

5.4.1 Зняти статичну модуляційну характеристику за якою визначити вихідний режим частотної модуляції.

5.4.2 Зняти амплітудну та частотну динамічні характеристики.

5.4.3 Виміряти коефіцієнт нелінійних спотворень.

5.4.4 Виконати індивідуальне завдання.

Зібрати схему згідно рис. 5.2. Підєднати до гнізд макету частотомір та, змінюючи напругу зміщення на варикапі, зняти залежність частоти від U_мо.

Рисунок 5.2- Структурна схема вимірювання при частотній модуляції

Повторити вказаний експеримент з метою найбільш точного з’ясування характеру залежності f_o (U_мо).

Зняти динамічну модуляційну характеристику при одночасному вимірі коефіцієнта нелінійних спотворень.

Змінити напругу зміщення на варикапі та повторити вищезазначений експеримент. Під час виконання цього експерименту необхідно стежити за точністю настройки девіометра!

Ввімкнути діод-компенсатор та знову зняти динамічні характеристики.

Отримані дані оформити у вигляді таблиць та графіків.

Індивідуальні завдання

1. Дослідити залежність смуги випромінюваних частот від величини індексу ЧМ ; використати аналізатор спектру та звуковий генератор. Провести моделювання на ПК.

2. Дослідити вплив нелінійних спотворень на розширення смуги частот при ЧМ ; використати аналізатор спектру та звуковий генератор.

3. Дослідити метод отримання ЧМ при повному включенні варикапу у контур автогенератора.

4. Змінити полярність включення варикапу, та отримати ЧМ ; порівняти результати з отриманими раніше. Провести моделювання на ПК.

5. Дослідити вплив параметрів контуру автогенератора на величину крутості модуляційної характеристики, змінюючи хвильовий опір контуру, але не змінюючи його резонансної частоти.

6. Ємність варикапа (С_м) за будь яким зміщенням U_мо, як вказано вище, можна визначити за формулою:

,

де С_мном та U_ном – паспортні дані конкретного варикапа (тобто – значення С_мном при фіксованому значенні зворотної напруги U_ном).

Ця обставина надає можливість здійснювати зміну частоти настроювання, зокрема паралельного контуру, до складу якого входить варикап. Еквівалентна схема подібного контуру наведена на рис.5.3.

Рисунок 5.3 – Еквівалентна схема паралельного контуру, у який включено варикап (С_м=VAR) у якості змінної ємності

Таким чином, з’являється можливість для зняття статичної та динамічної характеристик ЧМ – генератора.

Для індивідуальних даних за варіантами, зведених до таблиці 5.1, виконати наступне:

– Побудувати залежність С_м(U_мо) у межах значень U_мо (від U_моmin до U_моmаx); при цьому слід розрахувати 8÷10 значень С_м(U_мо).

– Визначити мінімальну (f_оmin) і максимальну (f_оmax) частоти настроювання паралельного контуру (рис.5.3) для крайніх значень напруги керування (U_моmin та U_mоmax), а також абсолютну різницю Δf=f_оmax-f_оmin.

– Визначити значення добротності (Q) і смуги пропускання контуру (рис.5.3) для відповідних значень f_оmin та f_оmax.

Вихідні дані для розрахунку за таблицею 5.1.

Таблиця 5.1 – Індивідуальні розрахункові дані

№ з/п	Смном(pF)	Uном (В)	Uм0 min(В)	Uм0 max(В)	rк (Ом)	Lекв (мкГн)	С0(pF)
1	40	3,0	0,5	5	51	560	10
2	44	3,2	0,7	6	49	540	15
3	48	3,4	0,9	7	47	520	20
4	52	3,6	1,1	8	45	500	25
5	56	3,8	1,3	9	43	480	30
6	60	4,0	1,5	10	41	460	35
7	64	4,2	1,7	11	39	440	40
8	68	4,4	1,9	12	37	420	45
9	72	4,6	2,1	13	35	400	50
10	76	4,8	2,3	14	33	380	55
11	80	5,0	2,5	15	31	360	60
12	84	5,2	2,7	16	29	340	65
13	88	5,4	2,9	17	27	320	70
14	92	5,6	3,1	18	25	300	75
15	96	5,8	3,3	19	23	280	80
16	100	6,0	3,5	20	21	260	85
17	104	6,2	3,7	21	19	240	90
18	108	6,4	3,9	22	17	220	95
19	112	6,6	4,1	23	15	200	100
20	116	6,8	4,3	24	13	180	105
21	120	7,0	4,5	25	11	160	110
22	124	7,2	4,7	26	9	140	115
23	128	7,4	4,9	27	7	120	120
24	132	7,6	5,1	28	5	100	125

5.5 Зміст звіту

В звіті повинно бути:

принципова електрична схема макету;

результати експерименту, представлені у вигляді таблиць та графіків;

результати експерименту при виконанні індивідуального завдання та їх детальний аналіз.

5.6 Конторольні запитання та завдання

1. Відобразити структурну схему отримання ЧМ непрямим методом?

2. Відобразити структурну схему отримання ЧМ прямим методом?

3. Чим зумовлені частотні спотворення при ЧМ прямим методом?

4. Які основні причини появи паразитної амплітудної модуляції при ЧМ прямим методом?

5. Як впливає індекс ЧМ на ширину частот?

6. Які переваги та недоліки ЧМ в порівнянні з АМ?

7.Як записати рівняння для ЧМ коливань тоном однієї частоти?

8.Чим пояснити причини спотворень та зсув середньої частоти при ЧМ за допомогою р-n переходу варикапу?

9. Які переваги та недоліки роботи варикапу у прямому та зворотньому включеннях?

10. Які переваги та недоліки повного включення варикапу в контур автогенератора?

11. Який фактор може обмежити можливості отримання ЧМ варикапом на НВЧ?

12. Яким чином можна здійснити компенсацію нелінійних спотворень?

13. Які існують методи зниження нелінійних спотворень при ЧМ?

14. Які ви знаєте схеми здійснення прямих методів ЧМ?

6 ДОСЛІДЖЕННЯ ІМПУЛЬСНИХ МОДУЛЯТОРІВ

З ЧАСТКОВИМ ТА ПОВНИМ РОЗРЯДОМ НАКОПИЧУВАЧІВ

6.1 Мета роботи

Мета роботи - вивчення роботи імпульсних модуляторів з частковим та повним розрядом накопичувачів; дослідження впливу різних елементів схеми та параметрів керуючого сигналу на форму та амплітуду імпульсу в навантаженні.

6.2 Методичні вказівки до організації самостійної роботи студентів

Вивчити принцип роботи імпульсних модуляторів з частковим та повним розрядом накопичувачів [1, c.417-442, 494-526 ].

Розрахувати параметри імпульсу на виході модулятора за вказаними значеннями напруги живлення, параметрів схеми та керуючого сигналу. Вихідні дані для розрахунку видає викладач.

Схема імпульсного модулятора звичайно містить накопичувальний елемент, який накопичує енергію від джерела живлення в проміжках між керуючими імпульсами . Після приходу керуючого імпульсу на вхід модулятора, замикається ключовий елемент схеми та накопичена енергія через замкнений ключ передається в навантаження. Звичайно час, за який енергія віддається в навантаження, на декілька порядків менше часу, в продовж якого енергія накопичується в накопичувальному елементі, тому в навантаження виділяється потужність на декілька порядків більша від потужності джерела живлення.

Вид накопичувального елемента залежить вид типу ключа. Якщо ключ виконано на електронній лампі або транзисторі, то в якості накопичувача використовують конденсатор. Електрична схема модулятора, яка відповідає описаному алгоритму роботи, зображена на рис. 6.1. Частота слідкування імпульсів в навантаженні визначається керуючими імпульсами, які надходять на вхід модулятора. У схемі, за рис. 6.2, завдяки зарядному дроселю та демпфуючому діоду, можливо зменшити тривалість заднього фронту імпульсу.

Pисунок 6.1- Схема імпульсного модулятора з частковим розрядом накопичувача

Форма імпульсу в навантаженні залежить від величин елементів схеми.

Тому вивчення роботи модулятора полягає у дослідженні впливу величини накопичувального конденсатору С_н,, зарядного опору R2, паразитних ємностей С_п, параметрів ключа ( режиму електронної лампи ) на форму імпульсу, а також, застосування зарядного дроселя та демпфуючого діоду з метою навчитися проектувати схему модулятора, яка забезпечує задані параметри імпульсу в навантаженні.

Рисунок 6.2 - Схема імпульсного модулятора з частковим розрядом накопичувача та зарядною індуктивністю

В потужних імпульсних модуляторах в якості ключа використовують також водневі тиратрони та тиристори, які можуть пропускати більші струми, ніж електронні лампи. Тиратрон у відмінність від електронної лампи, як ключ, може керуватися по сітці лише на замикання кола, а розмикання відбувається після того, як накопичувач достатньо розрядиться, та напруга на аноді тиратрону (тиристора) зменшиться майже до нуля ( звідси і назва - модулятор з повним розрядом накопичувача ). Ця властивість ключа є причиною того, що схема модулятора з повним розрядом відрізняється від схеми модулятора з частковим розрядом (рис.6.3). Для забезпечення прямокутності імпульсу в навантаженні, у якості накопичувача використовують штучну лінію, опір якої узгоджується з навантаженням імпульсним трансформатором. У випадку непогодження цих опорів форма імпульсу в навантаженні буде спотворена.

Проте, застосування імпульсного трансформатора призводить до спаду вершини імпульсу в навантаженні, за рахунок шунтуючої дії індуктивності – намагнічування імпульсного трансформатору. Позбутися цього явища можливо , застосовуючи у якості накопичувача неоднорідну штучну лінію. Для забезпечення високого ККД у зарядному колі ставлять зарядний дросель замість розв’язуючого активного опору, який використовується у схемі з частковим розрядом. Застосування дроселя перетворює процес заряду накопичувача в коливальний. В зв’язку з цим амплітуда імпульсу в навантаженні залежить від частоти слідування вхідних імпульсів. Щоб позбутися цієї залежності, в коло заряду ставлять діод VD1.

Pисунок 6.3 – Схема імпульсного модулятора з повним

розрядом накопичувача

В лабораторній роботі досліджується якісний та кількісний вплив на форму та амплітуду імпульса: величини опору навантаження, використання неоднорідної лінії, зміна частоти слідкування імпульсів, за наявністю зарядного діоду, та без нього, а також робота модулятора від джерела постійної та змінної напруги.