Министерство образования и науки

Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

физический факультет

кафедра радиофизики

АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

Методические указания по выполнению лабораторной работы

Составитель доц. Орлов С.В

Ростов на Дону

2006г.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров «Радиофизика», , «Телекоммуникации» и при подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Радиофизика», «Телекоммуникации».

Оглавление.

Амплитудный детектор. 6

1. Общие вопросы. 6

2 Основные характеристики и параметры амплитудного детектора. 7

3. Принцип действия и характеристики диодного детектора. 8

4 Транзисторный детектор. 14

5 Синхронный детектор. 15

6. Лабораторная работа. 16

6.1 Структурная схема установки. 18

6.2 Панель ручного управления. 19

6.3 Поле цифробуквенного дисплея. 19

7. Программа и порядок выполнения работы. 20

8. Содержание отчета. 22

9. Контрольные вопросы. 23

Список литературы. 25

Амплитудный детектор.

1. Общие вопросы.

Амплитудным детектором (АД) называется устройство, предназначенное для получения на выходе напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала. Процесс детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов вида

u_c (t ) = u_a (t )cos(ω_c t ), (1)

где u _a (t )=U _c [1+m_a x (t )], m _a £ 1 – коэффициент глубины модуляции; U _c – амплитуда несущего колебания с частотой ω_c , заключается в воспроизведении модулирующего сообщения x (t ) с наименьшими искажениями. Спектр сообщения x (t ) сосредоточен в области низких частот (частот модуляции), а спектр сигнала u _c (t ) – в области частоты ω_c , значение которой обычно намного превышает значение наивысшей частоты модуляции. Преобразование спектра при демодуляции возможно только в устройствах, выполняющих нелинейное или параметрическое преобразование входного сигнала u _c (t ).

При использовании нелинейного устройства, обладающего квадратичной вольт-амперной характеристикой, выходной ток имеет вид:

, (2)

где В – постоянный коэффициент. После устранения фильтром низких частот (ФНЧ) составляющей с частотой 2ω_c получим:

. (3)

В этом токе содержится составляющая вида , пропорциональная передаваемому сообщению, а также составляющая , которая определяет степень нелинейных искажений модулирующего сообщения x (t ).

Параметрическое преобразование осуществляется путем умножения u _c (t ) на опорное колебание, имеющее вид: u₀ (t )=U₀ cos(ω _c t ). В этом случае результат перемножения определяется следующим выражением:

u_c (t )u₀ (t )=u_a (t )U₀ [0,5+0,5cos(2ω _c t )]. (4)

Составляющая с частотой 2ω _c устраняется ФНЧ и в результате формируется низкочастотный сигнал вида 0,5U₀ u_a (t ). Отделяя постоянную составляющую 0,5U₀ U _c , например, при помощи разделительного конденсатора, получаем сигнал вида 0,5U₀ U _c m _a x (t ), форма которого определяется передаваемым сообщением x (t ).

2 Основные характеристики и параметры амплитудного детектора.

· Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей U ₌ выходного напряжения от изменения амплитуды U_с немодулированного сигнала u_c (t )=U _c cos(ω _c t ). Уровень нелинейных искажений, имеющих место при детектировании, определяется видом детекторной характеристики. По детекторной характеристике можно определить диапазон изменения амплитуды u_a (t ) модулированного сигнала (1), при котором нелинейные искажения модулирующего сообщения x (t ) не будут превышать определенного предела.

· Крутизна детекторной характеристики определяется как производная:

.

Крутизна детекторной характеристики является безразмерной величиной и по аналогии с показателями любого усилительного узла характеризует передаточные свойства детектора.

· Коэффициент нелинейных искажений является численной мерой нелинейных искажений модулирующего сообщения x (t ) при гармонической модуляции с частотой W = 2pF :

,

где U_{n W} – амплитуда колебания с частотой n W на выходе амплитудного детектора.

· Коэффициент передачи амплитудного детектора определяется при гармонической модуляции с частотой W отношением:

,

где U _W – амплитуда колебания с частотой W на выходе амплитудного детектора.

· Частотная характеристика является зависимостью коэффициента передачи амплитудного детектора от частоты модуляции k _W =f (W).

· Коэффициент фильтрации амплитудного детектора задается отношением:

где U _w – амплитуда первой гармоники высокочастотного колебания на выходе амплитудного детектора.

3. Принцип действия и характеристики диодного детектора.

Схема амплитудного диодного детектора изображена на рис. 1. На вход детектора поступает высокочастотный сигнал u _c (t ). Детектор представляет собой последовательное соединение диода VD и нагрузочной цепи (фильтра): конденсатора С_н и резистора R_н , включенных параллельно. С нагрузочной цепи снимается выходное колебание u _вых (t ).

Значение тока через диод i_g для режима покоя (u_c (t )=0) может быть найдено из уравнений:

(5)

где U _g – напряжение на диоде VD (рис. 1).

Вольтамперная характеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:

, (6)

где I _об – абсолютное значение величины обратного тока диода, φ _T – температурный потенциал, равный при Т =293˚ K примерно 26 мВ.

Зависимость постоянной составляющей U ₌ от амплитуды приложенного напряжения U _c дается детекторной характеристикой (рис. 3).

Анализ выражения (6) позволяет сделать два основных вывода:

· с увеличением R_н возрастает крутизна детекторной характеристики,

· с увеличением уровня сигнала снижается степень нелинейности детекторной характеристики, и наоборот, детектирование «слабых» сигналов сопровождается значительными нелинейными искажениями закона модуляции.

В этой связи различают два режима работы диодного амплитудного детектора:

· детектирование «слабых» сигналов,

· детектирование «сильных» сигналов.

В режиме «слабых» сигналов, нетрудно показать, что детекторная характеристика имеет квадратичный вид, т.е.

, (10)

и, соответственно, коэффициент нелинейных искажений в этом случае при x (t ) = 0 равен:

. (11)

Например, допустимое значение k_н в системах радиовещания не превышает нескольких процентов (k_н £ 5 %), что налагает ограничения на допустимый коэффициент глубины амплитудной модуляции в передатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторной характеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работу последующих усилительных каскадов.

В режиме «сильных» сигналов вольтамперная характеристика диода аппроксимируется линейной зависимостью i _g =f (u _g ) (5). В этом случае появляется заметное напряжение смещения на анод диода из-за значительной величины U ₌ , т.е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течение тех интервалов времени, когда . На рис. 4 показан угол отсечки θ тока диода. На интервале времени, соответствующем углу 2θ , происходит быстрый заряд конденсатора C _н (рис. 1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор C _н разряжается через резистор R _н .

Т.о., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором и при малых значениях угла q не создает нелинейных искажений модулирующего сигнала x (t ).

Нелинейные искажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:

· нелинейностью начального участка вольтамперной характеристики диода. При этом, чтобы гарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0≤U_c ≤U_c ⁽¹⁾ на рис. 2, необходимо выбирать значение U _c исходя из неравенства:

; (16)

· различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.

При использовании усилителя с входным сопротивлением

R _УНЧ ³ (5 – 10)R_н

и выборе величины емкости разделительного конденсатора C_p , обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с R _УНЧ из условия:

, (17)

где Ω_min – минимальная частота модулирующего сигнала,

этим видом нелинейных искажений можно пренебречь;

· нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора C_н . При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U ₌ и u _a (t ). В моменты времени, когда u _a (t ) < U ₌ , конденсатор C_н будет разряжаться через резистор R_н по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии:

, (18)

где Ω_max – максимальная частота модулирующего сигнала.

Кроме рассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных» сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходном напряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровня колебания высокой частоты на выходе амплитудного детектора величина емкости конденсатора C_н выбирается из условия:

, (19)

а коэффициент фильтрации в этом случае определяется выражением:

k_ф = ω_c C_н r _g , (20)

где r _g – сопротивление диода в открытом состоянии.

4 Транзисторный детектор.

Основным преимуществом такого детектора, по сравнению с диодным, является возможность одновременного детектирования и усиления сигнала, что облегчает работу последующих каскадов. В транзисторных детекторах детектирование может выполняться за счет нелинейной вольтамперной характеристики базового, коллекторного и эмиттерного токов; причем далеко не всегда возможно создание чисто базового, коллекторного или эмиттерного детектирования и на практике используют смешанные режимы, например, коллекторно-базовый или эмиттерно-базовый режим детектирования.

Входное сопротивление R _вх и входную емкость С _вх транзисторного детектора при малых и средних амплитудах входного сигнала в первом приближении находят так же, как аналогичные параметры для усилительных схем в режиме короткого замыкания на выходе. При наличии отсечки базового тока (в режиме «сильных» сигналов) входное сопротивление транзисторного детектора оказывается выше, чем у диодного.

Благодаря указанным преимуществам, в интегральных микросхемах, как правило, используются транзисторные детекторы. Примером является микросхема, состоящая из усилителя промежуточной частоты с автоматической регулировкой усиления и амплитудного транзисторного детектора.

5 Синхронный детектор.

В качестве синхронного детектора обычно используется аналоговый перемножитель сигналов. При этом на один из входов аналогового перемножителя поступает амплитудно-модулированный сигнал u c(t ) (1), на другой вход – опорное когерентное колебание u₀ (t ). В результате перемножения колебаний на выходе образуются низкочастотная составляющая 0,5u _a (t )U₀ и высокочастотная составляющая 0,5u _a (t )U₀ cos(2w _c t ), которая устраняется на выходе с помощью фильтра низкой частоты C_н R_н . К основным преимуществам синхронного детектора относятся:

· малые нелинейные искажения u _вых (t ), вследствие работы при достаточно больших напряжениях опорного колебания в режиме детектирования «сильных» сигналов;

· возможность подключения в качестве нагрузки ФНЧ с полосой прозрачности, величина которой не зависит от значений частоты W_max модулирующего колебания;

· высокое входное и низкое выходное сопротивления, что обеспечивает хорошее согласование с соседними каскадами устройств обработки сигналов.

Однако преимущества синхронного детектирования амплитудно-модулированных сигналов реализуются лишь при точной синхронизации опорного и несущего колебаний. В реальных устройствах возможен фазовый сдвиг y между указанными колебаниями, вызванный задержкой в цепи формирования опорного колебания.

При наличии фазового сдвига y ¹ 0 амплитуда колебания на выходе синхронного детектора будет равна:

. (21)

Разлагая (21) в степенной ряд и ограничиваясь первыми членами разложения, можно получить:

.

Если входной сигнал u (t ) имеет амплитудную модуляцию вида u _a (t )=U_c [1+m _a cosΩt ], то полезный сигнал на выходе синхронного детектора (без учета коэффициентов усиления) имеет вид:

u _вых (t )=0,5U_c [1+m_a cosΩt ]U₀ cosy . (22)

Из выражения (22) следует, что максимальное значения u _вых (t ) достигается при величине y = 2k p, что и следовало ожидать.

6. Лабораторная работа.

Качественные показатели амплитудных детекторов в значительной степени определяются уровнем амплитуды сигнала на входе детектора. Поэтому, как было показано ранее, методы расчета характеристик амплитудного детектора наиболее полно разработаны для режимов «сильных» и «слабых» сигналов.

Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование основных характеристик и параметров амплитудных детекторов, выполненных на основе:

· диодного детектора (тип 1);

· транзисторного детектора (тип 2);

· синхронного детектора на основе аналогового перемножителя (тип 3).

Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис. 5. На левом верхнем поле изображена структурная схема установки. На нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы. На правом поле расположен цифробуквенный дисплей с кнопками управления.

6.1 Структурная схема установки.

Лабораторная установка включает в себя генератор входного сигнала и блок детекторов (рис. 5).

Генератор входного сигнала формирует амплитудно-модулированный сигнал с регулируемыми амплитудой, частотой и состоит из:

· генератора высокой частоты (ГВЧ) с частотой генерации f _c = 465 кГц и регулируемой в диапазонах 0 – 0,1 В и 0,1 – 1,0 В амплитудой колебания u _Г ;

· генератора низкой частоты (ГНЧ) с регулируемой в пределах 30 Гц – 15 кГц частотой генерации и постоянной амплитудой колебания U_M ;

· модулятора, формирующего амплитудно-модулированный сигнал с постоянным коэффициентом глубины модуляции m _a =30 %.

блок детекторов содержит:

· диодный детектор, к выходу которого подключены коммутируемые независимо элементы нагрузки – резисторы и конденсаторы: R 1, R 2, C 1 и C 2;

· транзисторный детектор с коммутируемыми элементами нагрузки R 1, R 2, C 1 и C 2 на выходе;

· синхронный детектор, выполненный на основе аналогового перемножителя.

Значения параметров для диодного детектора: R 1 = 20 кОм, R 2 = 10 кОм, C 1 = 4700 пФ, C 2 = 1000 пФ.

К выходам детекторов через разделительный конденсатор Cр = 0,47 мкФ подключен нагрузочный резистор R = 20 кОм.

На задней стенке установки имеется разъем для подключения ЭВМ и контрольные выходы: «Вых 1» – напряжение u _c (t ), «Вых 2» – напряжение U _W , «Вых 3» – напряжение U ₌ .

6.2 Панель ручного управления.

Панель ручного управления состоит из трех полей:

Поле «ГВЧ» – генератора высокочастотного сигнала u _Г :

«УРОВЕНЬ» – кнопка переключения уровня сигнала;

«АМПЛИТУДА» – потенциометр регулировки амплитуды сигнала;

Поле «ГНЧ» – генератора низкой частоты:

«вкл» – кнопка включения генератора;

«ЧАСТОТА» – потенциометр плавной регулировки частоты ГНЧ;

«< », «>» – копки переключения диапазонов («меньше», «больше»);

Поле «ДЕТЕКТОРЫ» – детекторов сигнала:

«ТИП» – кнопка переключения типа исследуемого детектора;

«НАГРУЗКА» – кнопки подключения нагрузок резисторов и конденсаторов: R 1, R 2, C 1, C 2.

6.3 Поле цифробуквенного дисплея.

На цифробуквенном дисплее отображаются измеряемые величины и номер пункта работы. Под дисплеем расположены следующие кнопки:

«<<» – кнопка перелистывания страниц с пунктами работы к началу;

«>>» – кнопка перелистывания страниц с пунктами работы к концу;

«Т» – кнопка сброса контроллера управления.

7. Программа и порядок выполнения работы.

Ознакомившись с описанием лабораторной установки, включить питание и саму установку нажатием кнопки «Вкл».

Все переключения производятся с помощью кнопок на передней панели установки, включенное состояние кнопки индицируется светодиодом. Измерения выполняются встроенными приборами под управлением микроконтроллера, а результаты измерений выводятся на цифробуквенный дисплей, расположенный на лицевой панели. Выбор измеряемых величин и подключение их к индикатору производится кнопками выбора пункта лабораторной работы («<<», «>>»), расположенными вместе с кнопкой «сброс» («T») под цифробуквенным дисплеем.

П.1. Измерение детекторной характеристики диодного детектора (тип 1).

Получить зависимость постоянной составляющей U ₌ на нагрузке диодного детектора от эффективного значения u _c входного сигнала без модуляции. Измерения провести для режимов «слабых» и «сильных» сигналов и для 2-х значений нагрузки: R 1, C 1 и R 2, C 1.

В режиме «слабых» сигналов значение u _c изменять в интервале 0-250 мВ.

В режиме «сильных» сигналов значение u _c изменять в интервале 250 мВ-2,0 В.

Результаты измерений занести в таблицы.

П.2. Измерение детекторной характеристики транзисторного детектора (тип 2).

Получить зависимость постоянной составляющей U ₌ на нагрузке транзисторного детектора от эффективного значения u _c входного сигнала без модуляции. Измерения провести для 2-х значений нагрузки: R 1, C 1 и R 2, C 1, изменяя значение u _c в интервале 0-30 мВ.

Результаты измерений занести в таблицы.

П.3. Измерение детекторной характеристики синхронного детектора (тип 3).

Получить зависимость постоянной составляющей U ₌ на нагрузке синхронного детектора от эффективного значения u _c входного сигнала без модуляции. Измерения провести, изменяя значение U_c в интервале 0-200 мВ. Измерения осуществлять при индикации уровня сигнала с выхода генератора высокой частоты не более, чем 0,1 В».

Результаты измерений занести в таблицы.

П.4. Измерение частотных характеристик детекторов.

Снять частотные характеристики детекторов U _W = f (F ).

Измерить эффективное значение U _W низкой частоты на «закрытом» (без постоянной составляющей) выходе, изменяя частоту модуляции F в диапазоне 30 Гц-15 кГц при постоянном значении амплитуды сигнала u _c =Const (коэффициент глубины модуляции должен быть постоянным и равным m _а = 30 %).

Для диодного детектора (тип 1) поддерживать значение амплитуды u _c @ 1-1,5 В.

Для транзисторного детектора (тип 2) поддерживать значение амплитуды U_c @ 10-15 мВ. измерения проводить при сопротивлении нагрузки R 1 для 3-х значений нагрузочного конденсатора: С 1, С 2, С 1+С 2.

Для синхронного детектора (тип 3) поддерживать значение амплитуды U_c @ 100-150 мВ. измерения осуществлять при величине уровня высокочастотного колебания на выходе ГВЧ не более 0,1 В».

Результаты измерений занести в таблицы.

П.5. Определение коэффициента передачи детекторов.

Измерить зависимость коэффициента передачи для 3-х типов детекторов от величины эффективного значения напряжения входного сигнала k = U _W (m _a u _с ) при фиксированных значениях коэффициента глубины модуляции m_a = 30 % и частоты модуляции F » 1 кГц.

Для диодного детектора (тип 1) измерения проводить при нагрузке R 1, C 1, изменяя величину u _c в пределах 250 мВ-2,0 В.

Для транзисторного детектора (тип 2) измерения проводить при нагрузке R 1, C 1, изменяя величину u _c в пределах 0-30 мВ.

Для синхронного детектора (тип 3) выполнить измерения в диапазоне изменения u _c 0-200 мВ и измерения осуществлять при величине уровня высокочастотного колебания с выхода ГВЧ не более , чем 0,1 В».

Результаты измерений занести в таблицы

8. Содержание отчета.

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

· Наименование и цель работы.

· Структурные схемы, краткое описание и принципы работы исследуемых амплитудных детекторов.

· Результаты измерений для 3-х типов амплитудных детекторов.

- Таблицы с результатами измерений и графики экспериментальных зависимостей постоянной составляющей на выходе U ₌ от эффективного значения u _c входного сигнала без модуляции.

для диодного детектора (П.1):

в режиме «слабых» сигналов при нагрузке R 1, C 1 и R 2, C 1;

в режиме «сильных» сигналов при нагрузке R 1, C 1 и R 2, C 1.

для транзисторного детектора (П.2):

при нагрузке R 1, C 1 и R 2, C 1.

Для синхронного детектора (П.3).

- Таблицы с результатами измерений частотной характеристики и графики экспериментальных зависимостей U _W = f (F ) при фиксированных значениях амплитуды входного сигнала u _c и индекса модуляции m_а = 30 %:

Для диодного детектора:

в режиме «сильных» сигналов для 3-х значений нагрузки: R 1, C 1; R 1, C 2; R 1, (C 1 + C 2).

Для транзисторного детектора:

для 3-х значений нагрузки R 1, C 1; R 1, C 2; R 1, (C 1 +C 2).

Для синхронного детектора.

- Таблицы с результатами измерений коэффициента передачи детекторов и экспериментальные зависимости k = f (u _c ) при фиксированных значениях частоты модуляции F = 1 кГц и индекса модуляции m_{а m} = 30 % в диапазоне изменения величины входного сигнала u _c .

Для диодного детектора с нагрузкой R 1, C 1.

Для транзисторного детектора с нагрузкой R 1, C 1.

Для синхронного детектора.

· Анализ полученных результатов.

- Объяснить характер зависимостей U ₌ = f (u _c ) (п.1, П2, П.3).

- Провести анализ частотных свойств детекторов (п.4).

- Сравнить коэффициенты передачи различных типов детекторов (п.5).

9. Контрольные вопросы.

· Какие функции выполняют амплитудные детекторы? По каким признакам классифицируются такие детекторы, и каковы их параметры?

· Каковы принципы работы и схемы амплитудных детекторов? В чем их достоинства и недостатки? Какие особенности синхронных детекторов?

· Как можно представить эквивалентную схему детектора? Как определить коэффициент передачи и входное сопротивление детектора на полупроводниковом диоде?

· Какие искажения могут претерпевать сигналы в детекторах? Какие меры следует предпринимать для уменьшения искажений сигналов?

· Какие процессы происходят при детектировании двух высокочастотных напряжений с различными частотами? Как определяется отношение сигнал/помеха на выходе детектора?

· Что происходит при совместном действии сигнала и шума на амплитудный детектор? Как изменяется спектр сигнала и шума на выходе амплитудного детектора?

· Какова методика измерения детекторной характеристики детектора?

· Какова методика измерения частотных характеристик детекторов?

· Какова методика измерения коэффициента передачи детектора?

Список литературы.

Основная

1. Буга Н.Н., Фалько А.И., Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1986. – 320 с.

2. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов/Н.И.Фомин, Н.Н.Буга, О.В.Головин и др.; Под. ред. Н.Н.Фомина.- М.: Радио и связь, 1996.-512 с.

Дополнительная

1. Радиоприемные устройства: Учебное пособие для вузов. / Под общ. ред. Б.М. Богдановича. –М: Высшая школа., 1991. – 428 с.

2. Палшков В.В. Радиоприемные устройства. – М.: Радио и связь, 1984.-392 с.

3. Радиоприемные устройства: Учебное пособие для радиотехнических спец. вузов/Ю.Т.Давыдов, Ю.С.Данич, А.П.Жуковский и др.; Под ред.А.П.Жуковского.-М.:Высш.шк.,1989.-342с.

4. Радиоприемные устройства /А.Г.Зюко, Ю.Ф.Коробов, В.И.Левитан и др.; Под ред. А.Г.Зюко. – М.: Связь, 1975. – 399 с.