Реферат: Лабараторные работы по генерированию

--PAGE_BREAK--Контрольные вопросы
1.     Поясните необходимость управления колебаниями радиочастоты передатчика

2. Что такое модуляция?  Назовите виды ее.

3. Что такое амплитудная модуляция?

4. Назовите способы осуществления амплитудной модуляции.

5. Напишите уравнение амплитудно- модулированных колебаний.

6. Назовите спектры частот модулирующих колебаний.

7. Отчего зависит ширина спектра частот при амплитудной модуляции?

8. Что такое боковые частоты и боковые полосы?

9. Нарисуйте принципиальную схему модуляции изменением напряжения смещения и поясните ее работу.

10. Как выбрать положение рабочей точки на характеристике электронного прибора?

11. Зачем необходим нелинейный элемент в схеме амплитудной модуляции?

12. В чем заключаются особенности модуляции изменением напряжения смещения?

13. Нарисуйте схему базовой модуляции и поясните принцип работы.

14. Поясните особенности базовой модуляции.
Приложение 1.

1. ВИДЫ И АНАЛИЗ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ

Радиочастотные колебания, создаваемые радио­передатчиком и излучаемые его антенной в виде электромагнит­ных волн, используются для передачи информации потому, что они легко распространяются на большие расстояния.

Сообщения, которые необходимо передавать, чаще всего пред­ставляют собой низкочастотные колебания. Так, механические ко­лебания звука, преобразованные микрофоном в электрические, представляют собой колебания низкой частоты. Такие колебания не могут распространяться на большие   расстояния. Поэтому спектр низкочастотного сигнала необходимо перенести в область радиочастот. Для этого необходимо осуществить управление ими.

Процесс управления колебаниями радиочастоты с помощью ко­лебаний низкой частоты называется модуляцией.

Модуляция осуществляется с помощью специального устройст­ва, называемого модулятором. На один вход модулятора подается напряжение радиочастоты, на другой — низкочастотный переда­ваемый сигнал. На выходе модулятора получается модулирован­ное колебание.

Радиочастотные колебания, осуществляя перенос сигнала, сох­раняют его свойства. Они называются несущими.

Радиочастотные колебания характеризуются тремя параметра­ми: амплитудой, частотой и фазой. Они связаны соотношением i = IHcos(ωt + φ).

Для осуществления модуляции необходимо изменять во вре­мени один из параметров радиочастотного колебания в соответст­вии с передаваемым сигналом. В зависимости от того, какой из параметров радиочастотного колебания  изменяется, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

При работе передатчика в импульсном режиме для осуществ­ления модуляции изменяется один из параметров импульсов. Та­кая модуляция называется импульсной.

Для передачи телеграфных сигналов изменяют один из пара­метров радиочастотных колебаний в соответствии с телеграфным кодом. Радиотелеграфную модуляцию называют манипуляцией. Различают соответственно манипуляцию амплитудную, частотную и фазовую.

Амплитудной модуляцией называется процесс изменения амп­литуды колебаний радиочастоты в соответствии с изменением амп­литуды колебаний низкой частоты передаваемого сигнала.

Передаваемое колебание,  например речь, музыка, является сложным колебанием. И его можно рассматривать как сумму простых гармонических составляющих колебаний различных амп­литуд, частот и фаз.

Для простоты анализа рассмотрим модуляцию одним тоном частоты Ω, т. е. когда перед микрофоном звучит однотонное коле­бание одной частоты. График его можно представить в виде гар­монического (синусоидального или косинусоидального) колеба­ния, как показано на рис. 1, а аналитически записать выражени­ем uΩ=UΩcosΩt. При амплитудной модуляции по закону измене­ния модулирующего колебания, в данном случае по закону cosΩt, должна изменяться амплитуда тока радиочастоты. Это означает, что во время положительного полупериода звукового колебания амплитуда радиочастотного тока возрастает (точки 2—4 на рис. 1), а во время отрицательного полупериода — уменьшается (точки 4—6 на рис. 1).

<img width=«483» height=«212» src=«ref-2_26814101-31426.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">

               Рис. 1. Временная диаграмма амплитудно-модулированных колебаний

<img width=«470» height=«333» src=«ref-2_26845527-25182.coolpic» v:shapes="_x0000_s1026">
Изменение амплитуды радиочастот­ных колебаний математически можно выразить следующим обра­зом. Уравнение тока в антенне или в выходной цепи модулируе­мого каскада до модуляции имеет вид i = IНЕСсоsωHt. Это колебание называется несущим. В процессе модуляции амплитуда тока IНЕС получает приращение ΔIНЕС, причем это приращение изменяется по закону изменения модулирующего сигнала ΔIНЕСcosΩt.

Рис. 2. Графики амплитудно-модулированных при различной глубине модуляции:

m <1(a), m=1(б), m>1(в, г)

Тогда выражение тока радиочастоты при модуляции принимает вид

 i = ( IНЕС + ΔIНЕСcosΩt) соsωHt.

Выполняя дальнейшее преобразование выражения тока моду­лированных колебаний, получаем 

i = IНЕС ( 1 + ΔIНЕС / IНЕСcosΩt) соsωHt = IНЕС ( 1 +  mcosΩt) соsωHt .

Отношение приращения амплитуды тока несущей частоты при модуляции ΔIНЕС к его значению до модуляции IНЕС  обозначают буквой
mиназываюткоэффициентом глубины модуляции или глу­биной модуляции.

<img width=«529» height=«202» src=«ref-2_26870709-10745.coolpic» v:shapes="_x0000_s1027">
                   Рис.3. Спектр частот при амплитудной модуляции

Значение коэффициента глубины модуляции m зависит только от амплитуды модулирующего колебания. Например, при передаче речи или музыки — от громкости звука. При линейной модуляции коэффициент m прямо пропорционален амплитуде напряжения мо­дулирующего сигнала m=
aUΩ, где a — коэффициент пропорцио­нальности. На рис. 2 приведены временные диаграммы амплитудно-модулированных колебаний при различных коэффициентах модуляции m. При    m = 0 модуляции нет. При m = 0,5 (50%) ампли­туда напряжения модулирующих колебаний такова, что вызывает изменение амплитуды радиочастотных колебаний до половины первоначального значения. При m  = l ( UΩ=Uω)  (стопроцентная модуляция) амплитуда радиочастотных колебании увеличивается в 2 раза. В этих двух случаях огибающая амплитуд модулиро­ванных колебаний точно (без искажении) воспроизводит форму сигнала. При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения сиг­нала m > l (UΩ>Uω ) получается перемодуляция. Во время отри­цательного полупериода сигнала часть колебаний радиочастоты срезается (точки 1—2 на рис. 2, б) и форма огибающей модули­рованных колебаний искажается. Возникают нелинейные искаже­ния формы передаваемого сигнала. Следовательно, для осуществ­ления амплитудной модуляции без искажений коэффициент мо­дуляции m не должен превышать единицы.

Выражение для тока амплитудно-модулированных колебаний можно представить в следующем виде:

I=Iанесcosωнеct+0,5 т Iанесcos(ωнеc+Ω
)t+  0,5 т Iанесcos(ωнеc-Ω
)t.

Видно, что промодулированное по амплитуде колебание явля­ется сложным и состоит из трех составляющих:

1) колебания несущей частоты ωнеc  с амплитудой Iанес, такой же, как и до модуляции;

2) колебания с частотой ωнеc +Ωи амплитудой 0,5 Iанес, назы­ваемого колебанием верхней боковой частоты;

3) колебания с частотой ωнеc -Ω  и амплитудой 0,5 Iанес, называе­мого колебанием нижней боковой частоты.

Графически спектр колебаний, промодулированных по ампли­туде низкочастотным колебанием одной частоты Ω, можно изобра­зить, как показано на   рис. 3, а. Видно, что при амплитудной мо­дуляции одним тоном частоты и спектр модулированного колеба­ния содержит три гармонических колебания — несущую и два боковых, каждое из которых находится на расстоянии, равном частоте модулирующего колебания.

Но речь или музыка являются сложными колебаниями. Их можно представить состоящими из гармонических колебании. Тог­да при модуляции сложным колебанием модулированное колеба­ние содержит столько нижних и верхних боковых составляющих, сколько их имеется в спектре модулирующего сигнала. В резуль­тате в составе модулированного колебания будет две полосы час­тот: нижняя боковая и верхняя боковая (рис. 3, б).

1.1. Полоса частот и баланс мощностей.

Общая ширина полосы частот амплитудно-модулированных колебаний равна удвоенной максимальной частоте модуляции:

(ωнеc +Ω) — (ωнеc-Ω) = 2
ΩМАКС. Звуковые колебания занимают спектр частот 20...20000 Гц. Однако разборчивость речи оказывается достаточной при вос­произведении полосы частот в пределах 300...4500 Гц. При этом полоса амплитудно-модулированного колебания составит 9000 Гц. Расстояние между несущими частотами соседних радиопередатчиков в этом случае составляет 10 кГц    (рис. 3, б). Ширина спектра модулирующего сигнала определяется соответствующими стандар­тами на каналы связи, вещания, передатчики и приемники.

При амплитудной модуляции амплитуда тока в нагрузке не­прерывно изменяется от Iмин до IMакс. Следовательно, и режим мо­дулируемого генератора также изменяется. В процессе амплитуд­ной модуляции различают следующие режимы работы модулируе­мого каскада:

режим несущей частоты или режим молчания, когда генератор радиочастоты включен, а микрофон не включен и модуляция от­сутствует;

максимальный режим или режим максимальной колебатель­ной мощности при наибольшем значении тока и максимальном коэффициенте модуляции;

минимальный режим или режим минимальной мощности при наименьшем токе;

режим средней мощности за период одного периода модули­рующего низкочастотного сигнала.

Для упрощения предположим, что модуляция симметричная, линейная, неискаженная осуществляется синусоидальным напря­жением. Модулированный по амплитуде ток проходит через ак­тивное сопротивление нагрузки RH или антенны Ra.

В отсутствие модулирующего напряжения, т. е. в режиме мол­чания, несущее колебание создает на сопротивлении нагрузки мощность Рн=0,5I2HRH.

В процессе модуляции изменяется амплитуда тока, а следова­тельно, и мощность на нагрузке:

в минимальном режиме PМИН=0,5 I2МИНRH =0,5[IH(1 – m)]2RH= Рн( 1-m)2 ,

в максимальном режиме PMакс=0,5 I2МАКСRH =0,5[IH(1 + m)]2RH= Рн( 1+ m)2.

Из этих выражений видно, что при стопроцентной (m = 1) мо­дуляции мощность в максимальном режиме в 4 раза больше, чем в режиме несущей частоты. В минимальном режиме при m = 1   РМИН = Рн(1-m)2= 0.

Средняя мощность РСР, выделяющаяся на нагрузке за период действия модулирующего сигнала, складывается из мощностей несущего и двух боковых колебаний: РСР=РН – РН.Б + РВ.Б ,   РБ =0,5I2БRH=0,5(<img width=«41» height=«44» src=«ref-2_26881454-276.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">)2RH=0,5<img width=«41» height=«55» src=«ref-2_26881730-318.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">RH=PH<img width=«21» height=«41» src=«ref-2_26882048-192.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">,       PCP=PH+2PБ = 0,5I2HRH+2(0,5(<img width=«41» height=«44» src=«ref-2_26881454-276.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">)2R) = PH(1+0,5m2).

Отсюда видно, средняя мощность больше мощности несущих колебаний в (1+0,5m2) раз и при 100%-ной модуляции в полтора раза больше ее: РCP= 1,5РH.

Мощности РH и PCP—это мощности за продолжительный промежуток времени, в то время как мощности РМАКС и РМИН имеют мгновенный характер.

Рассматривая график спектрального состава модулированных колебаний, видим, что вся полезная информация о передаваемом сигнале содержится в боковых составляющих. А из полученных выше выражений следует, что при m= 1 мощность двух боковых частот в 2 раза меньше мощности несущей и в 8 раз меньше пи­ковой максимальной мощности. Практически коэффициент моду­ляции т ≈ 0,3. При этом амплитуды тока боковых составляющих будут меньше и составят 0,3IH/2, т. е. уменьшатся в 1/0,3 ≈ 3,3 раза, а мощности боковых частот уменьшатся в 3,32 = 10 раз. По­этому амплитудная модуляция энергетически невыгодна.

Другим недостатком амплитудной модуляции является широ­кая полоса частот, занимаемая модулированным колебанием, она вдвое шире спектра модулирующего сигнала.

Но амплитудная модуляция имеет важные достоинства, обус­ловливающие широкое применение ее в массовом радиовещании. К ним относится простота приемников для приема амплитудно-модулированных колебаний.

В основном амплитудная модуляция используется в радиовеща­тельных системах длинных, средних и коротких волн, а также для передачи изображения в телевизионных передатчиках метровых и дециметровых волн.

1.2.Способы осуществления амплитудной модуляции. Анализ модулированных по амплитуде колебаний показывает, что в процессе модуляции появляются новые частоты — боковые, которых не бы­ло на входе модулирующего устройства. Новые частоты, как из­вестно, могут появиться только на выходе устройства, имеющего нелинейную вольт-амперную характеристику. Следовательно, для осуществления амплитудной модуляции необходим нелинейный элемент. Такими нелинейными элементами могут быть электрон­ные приборы, лампы, транзисторы, диоды и др., обладающие не­линейной вольт-амперной характеристикой.

Для осуществления амплитудной модуляции модулирующее на­пряжение вводится в цепь питания одного или нескольких элект­родов электронного прибора. При изменении напряжения питания одного электрода модуляция называется простой или одинарной. Если же изменяется напряжение питания нескольких электродов, модуляция называется комбинированной. В зависимости от того, на какой электрод подается модулирующее напряжение, различа­ют следующие виды амплитудной модуляции: сеточную, базовую, анодную, коллекторную и анодно-экранную.

2. СЕТОЧНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Сеточной модуляцией называется управление колебаниями радио­частоты изменением напряжения на управляющей сетке лампы по закону изменения модулирующего сигнала.

<img width=«660» height=«246» src=«ref-2_26882516-15241.coolpic» v:shapes="_x0000_s1028">
                         Рис.4. Схема модуляции на сетку смещения

Модулирующее напряжение можно вводить в цепь любой сет­ки—управляющей, экранирующей или защитной. При модуляции на управляющую сетку различают две разновидности модуляции:

а) изменением напряжения смещения и б) изменением напряже­ния возбуждения, т. е. усилением модулированных колебаний.

Модуляция изменением смещения на управляющей сетке лам­пы осуществляется включением модулирующего напряжения в цепь управляющей сетки последовательно с напряжением смеще­ния, как показано на рис. 4. В результате такого включения напряжений в цепи сетки будут действовать три напряжения: пос­тоянное напряжение смещения ЕC, напряжения возбуждения ра­диочастоты uC=UCcosωt и модулирующее напряжение звуковой частоты uΩ=UΩcosωt.

<img width=«326» height=«232» src=«ref-2_26897757-8572.coolpic» v:shapes="_x0000_s1029">
       Рис.5. Графики напряжений и токов при сеточной модуляции

Рассмотрим физические процессы в генераторе при модуляции на сетку смещением. Сначала после включения источника питания в цепь сетки включается напряжение смещения ЕC. Значение его выбирают таким, чтобы исходная рабочая точка находилась на нелинейном участке характеристики лампы Ia= f(eC) (в точке 0 на рис. 5). Затем включается напряжение возбуждения несущей частоты uC= UCcosωt (точка 1 на оси времени на рис. 5). При действии в цепи сетки двух напряжений в цепи анода ток будет протекать в виде периодической последовательности импульсов с постоянной амплитудой и углом отсечки θ = 90°. В составе этих импульсов имеется первая гармоника анодного тока Ia1. Затем включается модулирующее напряжение uΩ=UΩcosωt(точка 2). Частота модулирующего напряжения Ω во много (десятки тысяч раз) меньше несущей частоты ω. Поэтому мгновенное значение модулирующего напряжения по сравнению с несущей изменяется настолько медленно, что за один период несущей его можно счи­тать неизменным. Это дает возможность еще считать, что моду­лирующее напряжение по отношению к напряжению несущей час­тоты проявляется как постоянное напряжение смещения. Отсюда и название: модуляция изменением напряжения смещения. Но это напряжение смещения изменяется по звуковому закону. В даль­нейшем рабочая точка перемещается по характеристике лампы в соответствии с изменением модулирующего напряжения.

Таким образом, в результате изменения напряжения смещения амплитуда импульсов анодного тока, угол отсечки θ, а следова­тельно, и амплитуда первой гармоники анодного тока изменяются по звуковому закону, вследствие чего и осуществляется амплитуд­ная модуляция (точки 3, 4, 5 и 6 на рис. 5).
3. МОДУЛЯЦИЯ НА БАЗУ ТРАНЗИСТОРА

<img width=«317» height=«276» src=«ref-2_26906329-9477.coolpic» v:shapes="_x0000_s1030">
В транзисторных каскадах передатчиков одуляция на базу мо­жет осуществляться как изменением напряжения смещения, так и изменением напряжения возбуждения.

                    Рис.6. Схема базовой модуляции смещением

Для осуществления базовой модуляции смещением модули­рующее напряжение вводится в цепь базы транзистора последова­тельно с напряжением смещения и напряжением возбуждения, как показано на рис. 6. Так как для осуществления модуляции не­обходим нелинейный элемент, то напряжение смещения выбира­ется таким, чтобы рабочая точка в исходном режиме находилась левее начала характеристики (точка А на рис. 7, а). При этом в цепи базы протекает незначительный отрицательный ток IБ 0 (рис. 7, а). Транзистор закрыт, и в цепи коллектора ток не про­текает.

<img width=«553» height=«359» src=«ref-2_26915806-14892.coolpic» v:shapes="_x0000_s1031 _x0000_s1035">
Рис.7.Физические процессы при модуляции на базу смещением ( а, б, в)
Рис.7. Физические процессы при модуляции на базу смещением (г, д, е)

Если в цепи базы кроме напряжения смещения и напряжения возбуждения включено и звуковое напряжение uΩ=UΩcosωt, то результирующее напряжение                продолжение
--PAGE_BREAK--