А.В. Степанов - Описание задачи - Синхронный детектор, страница 2

ГЕНЕРАТОР. Генератор (Рис.11) собран на специализированной интегральной микросхеме, вырабатывающей выходной сигнал прямоугольной формы. Частота генерируемых колебаний зависит от величины напряжения, подаваемого на управляющий вход микросхемы. Связь между напряжением и частотой близка к линейной.

Постоянная составляющая напряжения на управляющем входе, задается с помощью потенциометра и может регулироваться в пределах 2В...4В. Середине этого диапазона соответствует частота порядка 16кГц. Со входа частотной модуляции (ЧМ) на микросхему может подаваться переменное напряжение от внешнего источника (генератора). Тогда частота генерируемых колебаний будет изменяться во времени в соответствии с этим переменным напряжением.

ФИЛЬТР. К выходу генератора подключен селективный фильтр (Рис.12), служащий для получения амплитудно- и фазо-модулированного сигнала из частотно-модулированного сигнала генератора. Фильтр состоит из двух интегрирующих звеньев, охваченных положительной обратной связью, и имеет амплитудную и фазовую характеристики, аналогичные характеристикам обычного колебательного LCR - контура.

Резонансная частота фильтра f₀ примерно настроена на центральную частоту генератора (16 кГц). При изменении частоты генератора изменяются амплитуда сигнала на выходе фильтра и сдвиг фаз между сигналом генератора и выходным сигналом фильтра. Таким образом, частотная модуляция сигнала генератора сопровождается амплитудной и фазовой модуляцией выходного сигнала фильтра. Вследствие узкополосности фильтра на его выход проходит в основном первая гармоника прямоугольного сигнала генератора, и поэтому форма сигнала на выходе фильтра близка к гармонической.

УПРАЖНЕНИЯ

1. КАЛИБРОВКА УСТАНОВКИ.

1.1 Калибровка частотной шкалы генератора. Подайте на входы X и Y осциллографа сигналы с выхода встроенного в установку генератора и с выхода внешнего генератора низкой частоты, отключите внутреннюю развертку осциллографа. Наблюдая фигуры Лиссажу и измеряя частоту по шкале внешнего генератора, определите значения частоты встроенного генератора для крайних положений регулятора частоты (-1.5 и +1.5). Шкала регулятора частоты встроенного генератора полагается линейной и соответствует изменению управляющего напряжения от 2В до 4В.

1.2. Измерение амплитудно-частотной характеристики фильтра. Постройте зависимость амплитуды выходного сигнала селективного фильтра от частоты генератора. Для измерения амплитуды используйте осциллограф.

1.3. Измерение диапазона фазового сдвига фильтра. Определите сдвиг фаз между входным и выходным сигналами селективного фильтра для крайних положений регулятора частоты генератора, а также при настройке генератора на резонансную частоту фильтра. Сдвиг фаз  определите путем измерения временного сдвига T между входным и выходным сигналами:

 = 2 T/T, T - период сигнала.

Временной сдвиг T и период T измерьте с помощью осциллографа.

Для облегчения измерения временного сдвига можно подать выходной синусоидальный сигнал фильтра на компаратор и определять временной сдвиг между двумя прямоугольными сигналами: входным сигналом фильтра и выходным сигналом компаратора. При этом необходимо учитывать инверсию (сдвиг фазы на ) сигнала в компараторе.

При использовании двухлучевого осциллографа сигналы подаются на разные каналы вертикального отклонения (Y1, Y2), и на экране одновременно наблюдаются оба сигнала.

При использовании однолучевого осциллографа один из сигналов (например, входной сигнал фильтра) подается на вход внешней синхронизации и им запускается развертка осциллографа, а другой сигнал (например, выходной сигнал фильтра или компаратора) подается на вход вертикального отклонения и наблюдается на экране. По виду изображения можно определить временной сдвиг наблюдаемого сигнала относительно синхронизирующего сигнала. Для примера на Рис.13 показано формирование изображения для случая, когда наблюдаемый сигнал опережает синхронизирующий, и развертка запускается положительным (нарастающим) фронтом сигнала.

Для проведения измерений этим способом необходимо перевести развертку в режим внешней синхронизации, подключить выбранный синхронизирующий сигнал и подать этот же сигнал на вход вертикального отклонения Y. Сместить начало изображения в видимую часть экрана и настроить запуск развертки на один из фронтов синхронизирующего сигнала. Подать на вход Y другой сигнал и по виду изображения определить сдвиг соответствующего фронта этого сигнала.

2. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДЕТЕКТОРА.

2.1. Изучение амплитудной характеристики детектора. Схема измерения показана на Рис.14. На опорный и сигнальный (1:1) входы детектора подается напряжение внешнего низкочастотного генератора с частотой порядка 10 кГц, выходное постоянное напряжение детектора измеряется вольтметром. Изменяя амплитуду напряжения генератора в пределах от 0 до 2В, проверьте, что выходное постоянное напряжение линейно зависит от амплитуды входного напряжения. Определите коэффициент передачи детектора - отношение выходного напряжения к амплитуде входного сигнала. Сравните полученное значение со значением, ожидаемым для гармонического сигнала и экспериментальной установки с приведенными выше параметрами.

С помощью осциллографа посмотрите и зарисуйте форму сигналов в различных узлах детектора (на опорном и сигнальном входах демодулятора, его выходе). Убедитесь, что при изменении частоты генератора в широких пределах напряжение на выходе синхронного детектора не изменяется.

2.2. Изучение фазовой характеристики детектора. Схема измерения показана на Рис.15. На сигнальный вход детектора подается прямоугольное входное напряжение фильтра, синусоидальный выходной сигнал фильтра подается на опорный вход. Разность фаз регулируется путем изменения частоты встроенного генератора. Изменение амплитуды выходного сигнала фильтра при изменении частоты не играет роли, т.к. для опорного входа существенен лишь знак входного сигнала.

С помощью осциллографа посмотрите и зарисуйте форму сигналов в различных узлах детектора (на опорном и сигнальном входах демодулятора, его выходе). Проследите за изменением формы сигнала на выходе демодулятора при изменении частоты встроенного генератора. Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа используйте внешнюю синхронизацию выходным сигналом генератора.

Для тех же трех значений частоты генератора, что и в упражнении 1.3, (т.е. при известных фазовых сдвигах), измерьте величину постоянного напряжения на выходе детектора. Убедитесь в линейности фазовой характеристики, определите ее наклон и сравните его со значением, ожидаемым для данной экспериментальной установки. Амплитуду прямоугольного сигнала на входе демодулятора, необходимую для расчета, измерьте с помощью осциллографа.

Перестраивая частоту генератора и измеряя выходное напряжение, получите фазо-частотную характеристику селективного фильтра.

2.3. Измерение полосы пропускания детектора. Схема измерения показана на Рис.16. На опорный вход подается сигнал встроенного генератора, источником сигнала служит внешний низкочастотный генератор. При перестройке частоты внешнего генератора вблизи частоты встроенного генератора на выходе детектора будет наблюдаться гармонический сигнал. Его частота равна разности частот входных сигналов детектора. Изменение разностной частоты будет сопровождаться изменением амплитуды выходного сигнала в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой фильтра низких частот детектора.

Проследите за изменением амплитуды и частоты выходного сигнала при перестройке частоты внешнего генератора. Определите значение разностной частоты, при которой амплитуда сигнала уменьшится в 2^1/2 раз (на 3 дБ) по сравнению с максимальным значением. Амплитуда и частота выходного сигнала детектора измеряются с помощью осциллографа. Как и в предыдущих упражнениях проконтролируйте форму сигналов в различных точках схемы.

1. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА.

Конфигурация экспериментальной установки для выполнения этого упражнения приведена на Рис.17. С помощью внешнего генератора производится частотная модуляция сигнала встроенного генератора. Она вызывает амплитудную и фазовую модуляцию сигнала на выходе фильтра. Выход фильтра одновременно подключен к обоим входам детектора, поэтому изменения частоты и фазы входного сигнала не влияют на выходной сигнал детектора (важны разность частот и разность фаз). Амплитудная модуляция вызовет появление переменного сигнала на выходе детектора.

Установите частоту модулирующего сигнала в пределах полосы пропускания детектора (упражнение 2.3). Амплитуду сигнала выберете такой, чтобы соответствующая амплитуда изменения частоты встроенного генератора была намного меньше ширины резонансной кривой селективного фильтра (упражнение 1.2). Ориентировочное значение амплитуды - 100 мВ, частоты - 50 Гц. Качественно проследите зависимость амплитуды и формы выходного сигнала детектора от частоты настройки встроенного генератора. Объясните полученный результат, используя амплитудную характеристику селективного фильтра (упражнение 1.2).

Постройте зависимость амплитуды выходного сигнала детектора от частоты модулирующего сигнала (частоту встроенного генератора предварительно настройте на максимальный выходной сигнал). Зарисуйте форму сигнала на входе и выходе демодулятора при действии амплитудно-модулированного сигнала.

4. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ФАЗО-МОДУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА.

Конфигурация экспериментальной установки показана на Рис.18. Отличие от предыдущего упражнения (Рис.17) заключается в том, что на опорный вход детектора подается выходной сигнал фильтра, а на сигнальный вход - входной сигнал фильтра. Поэтому входные сигналы детектора имеют разность фаз, изменяющуюся в соответствии с модулирующим напряжением. Амплитудная модуляция выходного сигнала фильтра не сказывается, т.к. этот сигнал подается на опорный вход детектора.

Установите частоту и амплитуду модулирующего напряжения аналогично предыдущему упражнению и постройте зависимость амплитуды выходного сигнала детектора от частоты настройки встроенного генератора. Для объяснения результата используйте фазовую характеристику селективного фильтра (упражнение 2.2).

1. РЕГИСТРАЦИЯ СИГНАЛА НА ФОНЕ ПОМЕХИ.

Схема измерения показана на Рис.19. Она представляет собой схему детектирования амплитудно-модулированного сигнала (Рис.17), в которой в качестве сигнального входа детектора используется вход 1:10, а ко входу 1:1 подключен генератор шума, создающий помеху.

Вначале, при отключенном генераторе шума установите частоту модулирующего сигнала в пределах полосы пропускания детектора и настройте частоту встроенного генератора на склон резонансной характеристики селективного фильтра. При этом глубина амплитудной модуляции будет наибольшей, и амплитуда сигнала на выходе детектора максимальной. Установите наибольшую амплитуду модулирующего сигнала, при которой отсутствуют искажения выходного сигнала. Измерьте полный размах сигнала на выходе детектора. Ориентировочное значение частоты внешнего генератора- 50 Гц, амплитуды - 300 мВ.

Установите диапазон частот генератора шума 20 кГц и подключите генератор ко входу 1:1. На выходе будет наблюдаться сигнал, искаженный шумом. Изменяя выходное напряжение генератора шума, добейтесь удвоения среднего размаха сигнала на выходе детектора по сравнению с измеренным ранее. Это соответствует отношению сигнал/шум на выходе детектора, равному единице. Указанную операцию удобно проводить при минимальной скорости развертки или при отключенной развертке осциллографа.

Подключите осциллограф ко входу демодулятора (точка КОНТРОЛЬ) и поочередно измерьте средний размах входного шума (при отключенном от входа 1:10 сигнале) и размах сигнала модуляции на входе (при отключенном от входа 1:1 шуме). Определите отношение сигнал/шум на входе детектора. Объясните наблюдаемое изменение отношения сигнал/шум в результате синхронного детектирования. Используйте то, что мощность шума (средний квадрат шума) пропорциональна полосе частот.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие устройства необходимы для синхронного детектора и какие функции они выполняют?