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
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 Есм на затворе полевого транзистора усилительного каскада, обеспечивающие оптимальный угол отсечки в режимах:
– нелинейного усиления при Umвх = 2 В;
– удвоения частоты при Umвх = 4 В;
– утроения частоты при Umвх = 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
Есм = UО. 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 fвх должна быть выбрана с учетом определенного выше значения резонансной частоты fрез колебательного контура и требуемого коэффициента умножения частоты, т.е. fвх = fрез / n (n – 2 и 3 соответственно).
Амплитуда подводимого гармонического сигнала – Umвх = 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 fвх = 6 кГц, значение частоты второго генератора (гетеродина) fпр выбирается из условия, чтобы
fвых = fвх + fпр совпала с резонансной частотой контура. При преобразовании по частоте "вниз" частота fвх принимается равной 22 кГц, а fпр выбирается из условия, чтобы fвых = fвх – fпр была также равна резонансной частоте контура. Амплитуды обоих сигналов выбираются равными 1 В, напряжение смещения на затворе транзистора Eсм = –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) Im= f(Eсм) модулятора на полевом транзисторе, для которого ВАХ аппроксимирована отрезками прямых с параметрами
Подводимое к транзистору напряжение равно:
Uвх(t) = Eсм+ Um cos w0t, Um = 1 В.