200106_СДФ1_ПрИС

Рис .6.1. Схема г-образного четырехполюсника на базе элементов c , l и r.

В качестве резистора R может выступать нагрузка RН. Как видно из схемы, элементы L и C образуют последовательный колебательный контур. Резонансная частота контура ω0 определяется по формуле

Значение ширины полосы пропускания фильтра на уровне половинной мощности (по амплитуде это значение составляет 0,707) определяется формулой (при условии Q>>1)

2.2.Рассчитайте значения частоты максимума АЧХ (резонансной частоты) ω0

изначение максимума АЧХ Kmax по формулам (6.1) и (6.2). Оцените значение АЧХ на краях частотного диапазона, т.е. при ω = 0 и ω →∞.

2.3.Подключите измерительные приборы и измерьте амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную характеристики (ФЧХ) данного четырехполюсника. Убедитесь, что данный четырехполюсник выполняет функцию полосового фильтра с параметрами, рассчитанными по формулам (6.1) и (6.2), т.е. с максимумом АЧХ

Kmax = 1 на частоте ω0 (f0 = 1 кГц).

2.4. Измерьте АЧХ полосового фильтра для различных значений R, больших и меньших 1 кОм :

1)2 кОм;

2)5 кОм;

3)500 Ом;

4)100 Ом.

Зарисуйте все пять полученных графиков АЧХ в тетрадь на один график. Объясните полученные результаты.

2.5. Измерьте ФЧХ полосового фильтра. Диапазон измерения фазы установите от 180° до –180 °. С помощью визиря снимите три значения фазы: на резонансной частоте и для начальной и конечной частоты ФЧХ. Убедитесь, что значение фазы на резонансной частоте равно 0.

Зарисуйте график ФЧХ в тетрадь.

Задание 3

Второй вид Г-образного четырехполюсника на базе элементов C, L и R

3.1. Соберите схему Г-образного четырехполюсника на базе элементов C, L и R. Задайте следующие значения элементов C, L и R:

R = 100 Ом, L = 1 Гн, C = 25 нФ

Рис. 6.2. Схема второго вида г-образного четырехполюсника На базе элементов c, l и r

АЧХ данного полосового фильтра определяется по формуле

а значение максимума АЧХ по формуле

3.2. Рассчитайте значения резонансной частоты ω0 по формуле (6.1) и значе-

ние максимума АЧХ Kmax по формуле (6.5). Используя формулу (6.4), оцените значение АЧХ на краях, т.е. при ω = 0 и ω →∞.

3.3. Подключите измерительные приборы и измерьте амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную характеристики (ФЧХ) данного четырехполюсника. Убедитесь, что данный четырехполюсник выполняет функцию полосового фильтра с максимумом АЧХ, равным значению, рассчитанному по формуле (6.5), т.е. Kmax = 50 на частоте ω0 (f0 = 1 кГц).

3.4. Измерьте АЧХ полосового фильтра в следующих двух случаях:

1)R = 1 кОм;

2)R = 100 Ом, L = 100 мГн, C = 250 нФ;

Зарисуйте два полученных графика АЧХ в тетрадь. Объясните полученные результаты. Перечислите отличия данного полосового фильтра от полосового фильтра на рис. 6.1.

3.5. Измерьте ФЧХ полосового фильтра. Диапазон измерения фазы установите от 180° до –180 °. С помощью визиря снимите три значения фазы: на резонансной частоте и для начальной и конечной частоты ФЧХ. Убедитесь, что значение фазы на резонансной частоте равно приблизительно – 90 °.

Зарисуйте график ФЧХ в тетрадь.

ЗАДАНИЕ 4 Исследование процесса прохождения сигнала через

полосовой фильтр и подавление синусоидальной помехи

4.1.Подключите к выходу полосового фильтра (рис. 6.2) осциллограф. На вход схемы подключите два источника синусоидального напряжения: первый с частотой 1 кГц – это «полезный» сигнал, второй источник с частотой 1,5 кГц – это посторонний сигнал («помеха»).

4.2.Убедитесь, что полосовой фильтр эффективно подавляет помеху и пропускает полезный сигнал.

ЗАДАНИЕ 5 Исследование процесса подавления широкополосной

импульсной помехи

5.1. Подключите на вход полосового фильтра источник синусоидального напряжения с частотой 1 кГц и амплитудой 1 В («полезный» сигнал) и источник прямоугольных импульсов (широкополосная «помеха»). В качестве источника прямоугольных импульсов можно выбрать как Генератор сигналов (Function Generator), так и Генератор однополярных прямоугольных импульсов (Clock). Параметры Генератора выберите следующими:

В результате выбора таких параметров Генератором будут генерироваться очень короткие импульсы, которые, следовательно, будут иметь очень широкий спектр (близкий к спектру «белого шума»).

5.2. Убедитесь, что полосовой фильтр эффективно подавляет широкополосные помехи. Зарисуйте полученные осциллограммы в тетрадь и объясните полученные результаты.

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Составьте отчет о выполненной работе. Отчет должен содержать:

1)название лабораторной работы;

2)названия заданий, вид собранной электрической схемы, рассчитанные значения параметров элементов;

3)результаты выполнения заданий (графики амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик, осциллограммы входных и выходных сигналов);

4)выводы.

Контрольные вопросы

1.Перечислите схемы, которые могут выполнять роль полосового фильтра. Назовите два параметра, характеризующие вид АЧХ полосового фильтра.

2.Приведите формулы K(jω) и ϕK(ω) для Г-образного четырехполюсника на

базе элементов L, C, R. Проанализируйте вид зависимости АЧХ и ФЧХ при резонансной частоте и на краях частотного диапазона, т.е. при ω = ω0, ω = 0 и ω →∞.

3.Как изменяется АЧХ полосового фильтра при изменении значения R?

4.Как и от каких параметров зависит ширина полосы АЧХ фильтра?

5.Проведите сравнение АЧХ рассмотренных в лабораторной работе трех типов полосовых фильтров.

6.Объясните, почему полосовой фильтр обладает способностью подавления коротких импульсных помех.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: СОЛОН-Р, 2001.

2.Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов М.:

Высш. шк., 2000.

__________________

Лабораторная работа № 7

СХЕМНЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ МОДУЛЯТОРА И ДЕМОДУЛЯТОРА СИГНА- ЛОВ. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ

Цель работы

Целью работы является исследование нелинейных электрических цепей (четырехполюсников) на примере модулятора и демодулятора амплитудномодулированных (АМ) сигналов. Нелинейными электрическими цепями являются цепи, которые по определению содержат нелинейные элементы, такие как диоды, транзисторы и др. В данной лабораторной работе нелинейный элемент (диод) используется для получения АМ-сигналов (в частности, АМ-сигналов с однотональной модуляцией). Суть такого преобразования состоит в следующем.

Вначале происходит суммирование двух гармонических сигналов: первый сигнал с частотой ω0 (несущее колебание) и второй сигнал с частотой Ω << ω0 (модулирующий сигнал). Соответственно спектр результирующего сигнала будет состоять из двух спектральных пиков – с частотами Ω и ω0. Далее такой сигнал пропускается через диод, который, как известно, имеет выраженную нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ). Из теории сигналов следует, что любое нелинейное преобразование сигнала приводит к появлению в выходном сигнале множества дополнительных гармоник, которые являются линейными комбинациями частот гармоник исходного сигнала. Среди этих гармоник для целей модуляции представляют интерес гармоники с частотами ω0 – Ω, ω0, ω0 – Ω, поскольку именно эти гармоники и составляют спектр однотонального АМ-сигнала. Если выделить эти гармоники полосовым фильтром, то в результате на выходе фильтра мы получим требуемый АМ-сигнал.

Задание 1

Образование в результате нелинейного преобразования сигнала дополнительных комбинационных частот

1.1. Соберите электрическую цепь как показано на рис. 7.1. Первый источник синусоидального напряжения с частотой 100 Гц представляет модулирующий сигнал, а второй с частотой 1 кГц – несущее колебание. Задайте амплитуду этих сигналов одинаковой и равной 1 В.

Рис. 7.1. Схема, реализующая нелинейное преобразование сигнала

1.2.Просмотрите суммарный сигнал на входе диода (узловая точка Nodes, равная 1) на осциллографе. С помощью Анализатора спектра (команда Analysis/Fourier…) получите спектр этого сигнала.

1.3.Просмотрите осциллограмму и получите спектр сигнала на выходе диода (Nodes = 2). Объясните произошедшие изменения в сигнале.

Задание 2

Получение модулированного сигнала

2.1. К выходу диода на схеме рис.7.1 подсоедините полосовой фильтр (ПФ), состоящий из элементов C, L и R (этот полосовой фильтр исследовался в предыдущей лабор. работе № 6; см. рис. 6.1). В результате схема будет выглядеть как на рис. 7.2. Рассчитайте параметры ПФ так, чтобы резонансная частота ПФ совпала с частотой несущего колебания (см. формулы для ПФ, приведенные в лабор. работе № 6).

Рис.7.2. Схема модулятора на базе диода

2.2.Подсоедините к выходу ПФ измерительный прибор «Измеритель АЧХ» (Bode Plotter). Просмотрите АЧХ фильтра и проверьте правильность проведенных расчетов.

2.3.Просмотрите сигнал с выхода ПФ на осциллографе и получите спектр этого сигнала. Убедитесь, что выходной сигнал представляет собой требуемый АМсигнал.

Задание 3

Детектирование АМ-сигнала

Детектирование (демодуляция) АМ-сигнала представляет собой процесс выделения огибающей модулированного сигнала. Детекторы реализуют с помощью нелинейного элемента (диода или транзистора) и последующего фильтра нижних частот.

3.1.Соберите самостоятельно схему демодулятора АМ-сигнала.

3.2.С помощью собранной схемы демодулятора проведите детектирование полученного в предыдущем задании АМ-сигнала.

3.3.Проведите исследование последовательных преобразований сигнала в демодуляторе с точки зрения спектрального представления сигналов. Запишите последовательность этих преобразований.

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Составьте отчет о выполненной работе. Отчет должен содержать:

1)название лабораторной работы;

2)названия заданий, вид собранных электрических схем, рассчитанные значения параметров элементов;

3)результаты выполнения заданий (графики спектров и осциллограммы входных и выходных сигналов);

4)выводы.

Контрольные вопросы

1.Объясните, в чем состоит процесс модуляции с точки зрения спектрального представления сигналов?

2.Для чего необходим диод в схеме модулятора? Какую он выполняет функ-

цию?

3.Для чего необходимы элементы L, C, R в схеме модулятора? Какую выполняет функцию эта цепочка элементов? Как рассчитываются параметры этих элементов?

4.Назовите кроме диода еще один вид нелинейного элемента. Может ли он использоваться в схеме модулятора?

5.Объясните, в чем состоит процесс демодуляции с точки зрения спектрального представления сигналов?

6.Объясните, в чем состоит процесс демодуляции АМ-сигнала (выделение огибающей) с точки зрения обычного временного представления сигналов?

7.Объясните последовательность преобразования АМ-сигнала в детекторе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: СОЛОН-Р, 2001.

2.Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов М.:

Высш. шк., 2000.

Лабораторная работа № 8

ВЫДЕЛЕНИЕ КАНАЛА ИЗ СИГНАЛА С ЧАСТОТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ КАНАЛОВ

Цель работы

Целью работы является исследование возможности передачи по одной линии связи нескольких сигналов от различных источников – так называемого сигнала с частотным уплотнением каналов. Суть частотного уплотнения заключается в частотном разнесении несущей для каждого из каналов. В этом случае сигналы можно передавать по одной линии связи. При детектировании такого сигнала для выделения одного из каналов следует применять полосовой фильтр, настроенный на часто-

ту несущей канала. Ширина полосы фильтра должна соответствовать ширине канала, т.е. разности между частотами несущих двух смежных каналов.

Задание 1

Спектр суммы АМ-сигналов с различной частотой несущей

1.1. Даны три однотональных АМ-сигнала с частотами несущей f01, f02 и f03, равными соответственно 500, 900 и 1300 Гц. Остальные параметры (частота огибающей, глубина модуляции, амплитуда) для всех АМ-сигналов одинаковы и равны соответственно fΩ = 100 Гц, M = 1, A = 1 В.

1.2. Определите, как будут выглядеть эти АМ-сигналы и их спектры. Постройте и зарисуйте в тетрадь друг под другом на одной странице листа четыре графика: спектры каждого из трех АМ-сигналов по отдельности и спектр суммы всех трех сигналов.

Задание 2

Схема выделения АМ-сигнала одного канала из суммы АМ-сигналов

спомощью настройки параметров полосового фильтра

2.1.Соберите схему, как показано на рис. 8.1.

Эта схема демонстрирует передачу нескольких сигналов с частотным уплотнением каналов по одной линии связи с последующим выделением одного канала (сигнала). На входе схемы происходит суммирование трех АМ-сигналов (обозначенных на схеме как «1 signal», «2 signal», «3 signal»). Далее результирующий сигнал («Result signal») через ключ подается на вход («kanal-In») полосового фильтра (выполненного на элементах L, C и R). Переключающий элемент на входе полосового фильтра необходим для выбора режима измерения АЧХ полосового фильтра. Переключение производится с помощью клавиатуры клавишей <Пробел>.

Рис. 8.1. Схема выделения одного АМ-сигнала из суммы АМ-сигналов

Измерительные приборы (Bode Plotter и Function Generator) необходимы для измерения АЧХ полосового фильтра. Выбор режима измерения АЧХ производится, как было уже сказано, переключением ключа клавишей <Пробел>. Осциллограф служит для просмотра выделяемого сигнала.

2.2.Задайте параметры Источников АМ-сигнала (AM Source) в соответствии с параметрами трех АМ-сигналов, заданных в п. 1.1.

2.3.Просмотрите на осциллографе вид результирующего сигнала.

2.4.С помощью Анализатора спектра (Bode Plotter) получите Фурье-спектр результирующего сигнала (при этом следует указать номер узловой точки Nodes). Сравните измеренный спектр со спектром, построенным вами в Задании 1. Убедитесь, что они совпадают.

2.5.Формулы для расчета АЧХ полосового фильтра приведены в Лабораторной работе 6. Рассчитайте с помощью этих формул резонансную частоту ω0 и ши-

рину полосы Δω так, чтобы происходило точное выделение одного канала. Таким образом вы должны заполнить следующую табл. 8.1: