Государственный комитет РФ по связи и информатизации

Государственный комитет РФ по связи и информатизации

Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики

 

Г.А. Чернецкий

Л.А. Чиненков

 

Радиотехнические цепи и сигналы

Теория электрической связи

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

к лабораторным работам

 

Новосибирск 1998

УДК 621.391(075)   Ктн, доцент Г.А.Чернецкий, ктн, доцент Л.А.Чиненков.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ............................................................................................................................... 1

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ......................................................... 1

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТОВ............................................................................................................ 1

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ......................................................................... 1

РАБОТА № 1 Нелинейное резонансное усиление, умножение и преобразование частоты 1

1 Цель работы.................................................................................................................................. 1

2 Литература.................................................................................................................................... 1

3 Предварительная подготовка к работе........................................................................................ 1

4 Вопросы для самостоятельной подготовки................................................................................. 1

5 Описание лабораторного макета................................................................................................. 1

6 Лабораторное задание.................................................................................................................. 1

7 Порядок выполнения работы....................................................................................................... 1

8 Содержание отчета....................................................................................................................... 1

РАБОТА № 2 Амплитудная модуляция и детектирование ам-сигналов.......................... 1

1 Цель работы.................................................................................................................................. 1

2 Литература.................................................................................................................................... 1

3 Предварительная подготовка к работе........................................................................................ 1

4 Вопросы для самостоятельной подготовки................................................................................. 1

5 Описание лабораторного макета................................................................................................. 1

6 Лабораторное задание.................................................................................................................. 1

7 Порядок выполнения работы....................................................................................................... 1

8 Содержание отчета....................................................................................................................... 1

РАБОТА № 3 Частотная модуляция и детектирование ЧМ-сигналов................................. 1

1 Цель работы.................................................................................................................................. 1

2 Литература.................................................................................................................................... 1

3 Предварительная подготовка к работе........................................................................................ 1

4 Вопросы для самостоятельной подготовки................................................................................. 1

5 Описание лабораторного макета................................................................................................. 1

6 Лабораторное задание.................................................................................................................. 1

7 Порядок выполнения работы....................................................................................................... 1

8 Содержание отчета....................................................................................................................... 1

РАБОТА № 4 Исследование LC-автогенератора гармонических колебаний................. 1

1 Цель работы.................................................................................................................................. 1

2 Литература.................................................................................................................................... 1

3 Предварительная подготовка к работе........................................................................................ 1

4 Вопросы для самостоятельной подготовки................................................................................. 1

5 Описание лабораторной установки............................................................................................. 1

6 Лабораторное задание.................................................................................................................. 1

7 Порядок выполнения работы....................................................................................................... 1

8 Содержание отчёта....................................................................................................................... 1

РАБОТА № 5 Параметрическое возбуждение и усиление колебаний................................ 1

1 Цель работы.................................................................................................................................. 1

2 Литература.................................................................................................................................... 1

3 Предварительная подготовка к работе........................................................................................ 1

4 Вопросы для самостоятельной подготовки................................................................................. 1

5 Описание лабораторного макета................................................................................................. 1

6 Лабораторное задание.................................................................................................................. 1

7 Порядок выполнения работы....................................................................................................... 1

8 Содержание отчёта....................................................................................................................... 1

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................... 1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс "Теория электрической связи" (ТЭС) является неотъемлемой частью общей теории связи и представляет собой единую научную дисциплину, основу которой составляют: теория сигналов, теория помехоустойчивости и теория информации. Принципы и методы курса ТЭС являются теоретической основой для развития инженерных методов расчёта и проектирования аналоговых и цифровых систем связи.

Курс "Радиотехнические цепи и сигналы" (РТЦ и С) – базовая дисциплина в системе подготовки современного инженера в области радиотехники и радиоэлектроники. Его целью является изучение фундаментальных закономерностей, связанных с получением сигналов, их передачей по каналам связи, обработкой и преобразованием в радиотехнических цепях и устройствах.

В настоящих методических указаниях приведены лабораторные работы, охватывающие следующие ключевые вопросы радиотехники и связи:

- преобразование формы и спектра сигнала безынерционным нелинейным элементом;

- нелинейное резонансное усиление сигналов;

- умножение и преобразование частоты;

- амплитудная модуляция и детектирование АМ-сигналов;

- частотная модуляция и детектирование ЧМ-сигналов;

- генерирование сигнала гармонической формы;

- работа автогенератора под внешним воздействием;

- параметрическое возбуждение и усиление колебаний.

Универсальный лабораторный стенд позволяет студентам экспериментально исследовать физические процессы при вышеуказанных преобразованиях сигналов.

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1 Выполнению каждой лабораторной работы предшествует самостоятельная предварительная подготовка студента путём изучения по литературе необходимых разделов курса, выполнения расчётов, изучения описания лабораторного макета, задания и порядка выполнения соответствующей лабораторной работы. Подготовленный студент должен также отчётливо представлять, что и как он будет делать, и какие результаты ожидаются в каждом из пунктов работы (мысленный эксперимент).

2 В начале лабораторного занятия каждый студент представляет преподавателю рабочий листок с результатами предварительной подготовки по выполняемой работе: расчетами, схемами отдельных измерений по каждому пункту лабораторного задания.

3 К выполнению работы допускаются только подготовленные студенты. Поэтому в начале занятия преподаватель проводит проверку готовности каждого студента путем устного собеседования или с помощью технических средств в объеме материала, указанного в описании лабораторной работы.

4 Студенты, не допущенные к выполнению лабораторной работы, остаются в лаборатории для дополнительной подготовки.

5 В процессе выполнения работы результаты эксперимента аккуратно оформляются в рабочих листках в виде таблиц, графиков. Результаты каждого пункта должны иметь соответствующие заголовки и пояснения исходных данных, режимов измерений.

6 По окончании работы студент (бригада) представляет рабочий листок преподавателю для проверки и отметки о выполнении в журнале. Самовольный уход студентов из лаборатории не допускается.

7 По результатам лабораторной работы каждый студент должен оформить отчёт и защитить работу. Студенты, хорошо подготовившиеся к работе и успешно выполнившие её, могут защитить эту работу в конце занятия (при наличии времени) по рабочим листкам без последующего оформления отчёта.

8 При выполнении работы не рекомендуется часто включать и выключать питание электронных приборов. Питание всех приборов, применяющихся в лабораторной работе, выключается студентами только после выполнения всех пунктов лабораторного задания с разрешения преподавателя.

9 Студенты, пропустившие лабораторное занятие без уважительной причины или не допущенные к выполнению лабораторной работы, выполняют её в специально установленное время (как правило, в конце семестра).

10 Студенты заочного факультета обязаны получить зачёт по лабораторным работам до конца той лабораторно-экзаменационной сессии, в которой выполнялись лабораторные работы. В противном случае все лабораторные работы должны проделываться и защищаться заново во время следующей лабораторно-экзаменационной сессии.

11 При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать правила техники безопасности.

12 Рабочее место в лаборатории должно быть оставлено в полном порядке: приборы должны стоять на положенных местах, провода аккуратно сложены, стулья ставятся вплотную к столу.

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТОВ

1 Отчёт по лабораторной работе должен содержать:

- название лаборатории;

- фамилию и инициалы студента;

- номер группы;

- наименование работы;

- номер лабораторной работы;

- перечень приборов;

- предварительные расчеты;

- принципиальную схему макета;

- результаты измерений в виде таблиц, графиков и расчётов;

- выводы по работе и оценку результатов;

- дату выполнения работы и личную подпись.

2 При выполнении отчёта не следует переписывать с начала все пункты лабораторного задания, а затем приводить таблицу с результатами всех измерений. Результаты различных измерений необходимо представить в виде нескольких самостоятельных таблиц и графиков. Каждая таблица и каждый график должны иметь свой заголовок и исходные данные эксперимента.

3 При выполнении численных расчетов надо записать формулу определяемой величины, сделать соответственную численную подстановку и произвести вычисления, а не писать сразу готовый результат.

4 Результаты со всеми промежуточными вычислениями сложных нелинейных зависимостей следует приводить в виде таблицы.

5 Все графики необходимо выполнять на миллиметровой бумаге или обычной бумаге в клетку. Оси координат на графиках должны быть обозначены и промасштабированы. Масштаб следует выбирать таким образом, чтобы координаты любой точки графика могли быть определены быстро и с удовлетворительной точностью.

6 Нанесение на графике точек, соответствующих расчетным или экспериментальным данным, должно быть выполнено отчетливо и аккуратно.

7 Кривая, проводимая через экспериментальные точки, должна быть плавной, без резких искривлений и углов. Кривая не обязательно должна проходить через каждую отдельную точку. Её следует провести через большую часть точек так, чтобы наилучшим образом аппроксимировалась экспериментальная зависимость.

8 Если на графике имеется несколько кривых, каждая кривая должна быть снабжена соответствующими надписями.

9 Осциллограммы, характеризующие один и тот же процесс, например, напряжение на входе и выходе четырехполюсника, следует располагать строго друг под другом с общим началом отсчета и с соблюдением масштабов по осям координат. То же относится и к спектральным диаграммам.

10 Необходимо пользоваться общепринятыми условными обозначениями величин и сокращениями названий.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка одного рабочего места студентов включает в себя собственно лабораторный макет и комплекс типовых измерительных приборов. Общий вид лабораторной установки показан на рисунке 1. В нее входят:

1 – лабораторный универсальный стенд;

2, 3 – генераторы звуковых частот;

4– анализатор спектра;

5– милливольтметр;

6– осциллограф.

Рисунок 1 – Общий вид лабораторной установки

Собственно универсальный лабораторный стенд показан на рисунке 2. Конструктивно он выполнен в виде вертикальной стойки и состоит из следующих функциональных блоков (модулей):

– блок питания и измерений;

– блок источников сигналов;

– блок № 1 – нелинейный преобразователь на полевом транзисторе;

– блок № 2 – LC-генератор;

– блок № 3 – RC–генератор;

– блок № 4 – частотный модулятор и детектор ЧМ-колебаний;

– блок № 5 – параметрический усилитель и генератор;

– блок № 6 – нелинейные преобразователи на аналоговых перемножителях сигналов.

Стенд позволяет выполнять следующие лабораторные работы:

– преобразование формы сигнала, спектра сигнала безынерционным нелинейным элементом;

– усиление сигнала и умножение частоты;

– преобразование частоты;

– амплитудная модуляция;

– детектирование АМ- сигналов;

– частотная модуляция и детектирование ЧМ- сигналов;

– генератор LC;

– автоколебательная LC-цепь под внешним воздействием;

– генератор RC;

– двухконтурный параметрический усилитель;

– параметрический генератор;

– преобразование сигналов с использованием аналоговых перемножителей (исследуются семь вариантов цепей).

В стенде предусмотрена возможность измерения постоянных напряжений и токов внутренними (встроенными) приборами, имеются внутренние источники гармонических колебаний с частотой 1 кГц и 180 кГц. На передней панели каждого модуля изображена упрощенная схема устройства (без вспомогательных элементов), выведены органы управления (потенциометры, переключатели) и гнёзда внешних соединений (смотри рисунок 2). Краткое описание функциональных модулей приведено в соответствующих лабораторных работах. Ниже приводятся методические указания только для части лабораторных работ, выполняемых в курсах "Радиотехнические цепи и сигналы" и "Теория электрической связи".

 

Рисунок 2 – Универсальный лабораторный стенд

РАБОТА № 1
Нелинейное резонансное усиление,
умножение и преобразование частоты

1 Цель работы

Экспериментальное исследование физических процессов при нелинейном резонансном усилении, умножении и преобразовании частоты. Изучение выбора оптимального режима работы нелинейного элемента.

2 Литература

[1] – стр. 225...235, 252...254.

[2] – стр. 214...227, 240...242.

[3] – стр. 270...281.

[4] – стр. 70...79.

5 Конспект лекций.

3 Предварительная подготовка к работе

1 Ознакомиться с лабораторным заданием и изучить по литературе, указанной выше, следующие вопросы:

– методы аппроксимации нелинейных характеристик;

– преобразование формы и спектра сигнала нелинейным элементом при гармоническом и бигармоническом воздействиях;

– методы спектрального анализа нелинейных цепей;

– сущность кусочно-линейной аппроксимации и спектрального анализа методом угла отсечки;

– принцип нелинейного резонансного усиления, умножения и преобразования частоты;

– выбор режима работы нелинейного элемента при резонансном усилении и умножении частоты, понятие оптимального угла отсечки;

– задача и проблемы фильтрации полезных спектральных составляющих при нелинейных преобразованиях радиотехнических сигналов, оценка нелинейных искажений в выходном сигнале.

2 Ответить (устно) на вопросы раздела 4 данной работы.

3 Рассчитать требуемые значения напряжения смещения Е_см на затворе полевого транзистора усилительного каскада, обеспечивающие оптимальный угол отсечки в режимах:

– нелинейного усиления при U_mвх = 2 В;

– удвоения частоты при U_mвх = 4 В;

– утроения частоты при U_mвх = 4 В.

ВАХ полевого транзистора аппроксимирована отрезками прямых с параметрами:

Рассчитать методом угла отсечки и построить спектральные диаграммы тока для рассматриваемых режимов.

1 Изучить описание лабораторной установки и лабораторное задание. Продумать порядок выполнения работы в лаборатории, подготовить необходимые таблицы и графики для каждого пункта работы.

4 Вопросы для самостоятельной подготовки

1 Методы аппроксимации нелинейных характеристик, их сущность, условия применения.

2 Методы спектрального анализа нелинейных цепей, их сущность, условия применения.

3 Спектр тока в цепи с нелинейным безынерционным элементом:

– при гармоническом воздействии;

– при воздействии суммы гармонических сигналов с различными частотами.

4 Что такое угол отсечки тока нелинейного элемента? Как зависит он от напряжения смещения и от амплитуды входного сигнала?

5 Принцип работы нелинейного резонансного усилителя и умножителя частоты на основе транзисторного усилителя.

6 Энергетические преимущества режима работы усилителя с отсечкой тока по сравнению с линейным усилением. Оценка КПД.

7 Приведите временные и спектральные диаграммы, поясняющие процессы преобразования формы сигнала и его спектра в нелинейном резонансном усилителе и умножителе частоты (при удвоении и утроении частоты):

– на входе;

– тока нелинейного элемента;

– на выходе.

8 Поясните сущность оптимального угла отсечки.

9 Оценка нелинейных искажений в выходном сигнале при нелинейном резонансном усилении и умножении частоты.

10 Сущность преобразования частоты (с приведением спектральных диаграмм).

11 Приведите простейшие схемы нелинейного резонансного усилителя, умножителя и преобразователя частоты на транзисторе.

12 Изложите содержание лабораторного задания к данной работе.

5 Описание лабораторного макета

Работа выполняется на блоке № 1 (рисунок 3), который позволяет проводить следующие исследования:

– преобразование формы и спектра сигнала нелинейным элементом при гармоническом и бигармоническом воздействии;

– нелинейное резонансное усиление;

– умножение частоты;

– преобразование частоты.

Рисунок 3 – Блок 1

 

Нелинейный преобразователь выполнен на основе усилительного каскада на полевом транзисторе. Форма и спектр тока в стоковой цепи полевого транзистора наблюдаются при включении в эту цепь активного сопротивления (кнопкой"R вкл"). При нелинейном резонансном усилении, умножении и преобразовании частоты нагрузкой усилительного каскада является параллельный колебательный контур, который подключается кнопкой "LC вкл". Его резонансная частота находится в пределах 13...15 кГц. Сигналы на входы преобразователя подаются от внешних генераторов. Точное значение частоты устанавливается с учетом значения резонансной частоты контура конкретного макета – по получению максимума напряжения на нем.

Возможность изменения добротности нагрузочного колебательного контура путем подключения дополнительного сопротивления Rш (кнопкой "Rш") позволяет изучать качество фильтрации полезных спектральных составляющих и оценивать величину нелинейных искажений выходного сигнала по виду его спектра при умножении и преобразовании частоты.

Подключение измерительных приборов к схеме для подачи сигналов и наблюдения исследуемых процессов осуществляется с помощью гнезд. Регулятор смещения и вольтметр для измерения его величины расположены на передней панели верхнего блока макета.

6 Лабораторное задание

1 Ознакомиться с лабораторной установкой и с используемыми в работе измерительными приборами.

2 Изучить экспериментально особенности преобразования формы и спектра сигнала в безынерционном нелинейном элементе при гармоническом внешнем воздействии (на примере нелинейного резистивного усилителя).

3 Исследовать экспериментально принцип и особенности работы нелинейного резонансного усилителя .

4 Изучить принцип и особенности умножения частоты на основе нелинейного резонансного усилителя и характер зависимости энергетической эффективности умножения от угла отсечки тока.

5 Ознакомиться с особенностями преобразования частоты на основе нелинейного резонансного усилителя.

7 Порядок выполнения работы

1 Включить лабораторную установку и приборы.

2 Для исследования процессов преобразования формы и спектра сигнала в схеме нелинейного резистивного усилителя при гармоническом внешнем воздействии необходимо: получить и зарисовать временные и спектральные диаграммы выходного напряжения (тока) при различных значениях напряжения смещения, соответствующих углам отсечки 180⁰ и 60⁰ градусов.

Примечания:

1 Частота входного сигнала устанавливается равной резонансной частоте колебательного контура – по максимуму напряжения на нем. При этом сопротивление Rш должно быть отключено.

2 Необходимое напряжение смещения для соответствующего угла отсечки устанавливается с учетом заданной ВАХ транзистора и результатов расчета (смотри раздел 3). Допускается также оценка величины угла отсечки по временной диаграмме напряжения на сопротивлении нагрузки.

3 Амплитуда входного сигнала при угле отсечки 180⁰ не должна превышать 1 В.

 

3 Изучение особенностей нелинейного резонансного усиления. Данный пункт рекомендуется выполнять при угле отсечки примерно
90⁰, для чего необходимо установить величину напряжения смещения
Е_см = U_О. Амплитуда входного сигнала равна 2 В. Наблюдать и зарисовать временные и спектральные диаграммы сигналов:

- тока стока транзистора – напряжения на активном сопротивлении нагрузки (кнопка "R вкл." нажата);

- напряжения на выходе нелинейного резонансного усилителя – на контуре (кнопка"LC вкл"нажата) при отключенном сопротивлении Rш.

4 Изучение особенностей умножения частоты на основе нелинейного резонансного усилителя. Наблюдать и зарисовать осциллограммы и спектральные диаграммы тока стока транзистора и напряжения на контуре для двух случаев умножения частоты:

- умножения в два раза;

- умножения в три раза.

Необходимая частота входного сигнала f_вх должна быть выбрана с учетом определенного выше значения резонансной частоты f_рез колебательного контура и требуемого коэффициента умножения частоты, т.е. f_вх = f_рез / n (n – 2 и 3 соответственно).

Амплитуда подводимого гармонического сигнала – U_mвх = 4 В, напряжение смещения на затворе транзистора выбирается из условия обеспечения оптимального угла отсечки для соответствующего коэффициента умножения (см. результаты расчета раздела 3).

Примечания:

1 При выполнении пунктов 4 и 5 рекомендуется подстраивать частоту генератора (в небольших пределах), добиваясь максимального уровня напряжения сигнала на контуре.

2 Осциллограммы и спектральные диаграммы тока нелинейного элемента и напряжения на выходе изображать под соответствующими диаграммами на входе с соблюдением масштабных соотношений по осям координат.

 

5 При ознакомлении с преобразованием частоты необходимо получить и зарисовать спектральные диаграммы тока стока транзистора и напряжения на выходе для двух случаев преобразования частоты:

- преобразование по частоте "вверх";

- преобразование по частоте "вниз".

При преобразовании по частоте "вверх" частота f_вх = 6 кГц, значение частоты второго генератора (гетеродина) f_пр выбирается из условия, чтобы
f_вых = f_вх + f_пр совпала с резонансной частотой контура. При преобразовании по частоте "вниз" частота f_вх принимается равной 22 кГц, а f_пр выбирается из условия, чтобы f_вых = f_вх – f_пр была также равна резонансной частоте контура. Амплитуды обоих сигналов выбираются равными 1 В, напряжение смещения на затворе транзистора E_см = –2 В.

8 Содержание отчета

Отчет должен содержать результаты предварительной подготовки к работе, схемы отдельных измерений для каждого пункта, результаты измерений в виде таблиц, графиков, осциллограмм и спектрограмм с соответствующими заголовками, исходными данными и пояснениями, краткие выводы и оценку результатов.

РАБОТА № 2
Амплитудная модуляция и детектирование
ам-сигналов

1 Цель работы

Экспериментальное исследование физических процессов при амплитудной модуляции и детектировании АМ – сигналов.

2 Литература

[1] – стр. 72...80, 242...247, 255...257.

[2] – стр. 71...79, 225...226, 231...237.

[3] – стр. 88...96, 283...285, 286...289.

[4] – стр. 79...84, 95...100

5 Конспект лекций.

3 Предварительная подготовка к работе

1 Ознакомиться с лабораторным заданием и изучить по указанной выше литературе следующие вопросы:

- принцип модуляции высокочастотного гармонического колебания несущей и ее использование в радиотехнике и технике связи;

- временное, спектральное и векторное представление АМ-сигнала при однотональной модуляции и модуляции сложным сигналом произвольной формы, ширина спектра АМ-сигнала;

- энергетические характеристики АМ-сигнала, балансная и однополосная амплитудная модуляция;

- принцип работы амплитудного модулятора, статическая модуляционная характеристика, выбор режима работы модулятора по ней для получения неискаженной модуляции;

- принцип детектирования АМ-сигнала, характеристика детектирования, линейное и квадратичное детектирование, искажения при детектировании;

- практические схемы амплитудного модулятора и детектора.

2 Ответить (устно) на вопросы раздела 4 данной работы.

3 Рассчитать методом угла отсечки и построить статическую модуляционную характеристику (СМХ) I_m= f(E_см) модулятора на полевом транзисторе, для которого ВАХ аппроксимирована отрезками прямых с параметрами

 

Подводимое к транзистору напряжение равно:

 

U_вх(t) = E_см+ U_m cos w₀t, U_m = 1 В.

 

ПРИ РАСЧЕТЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ ВЫБИРАТЬ

  4 Выбрать по рассчитанной СМХ параметры рабочего режима модулятора,… 5 Нарисовать спектральную и векторную диаграммы AМ-сигнала вида: