Описание лабораторного стенда Лабораторный стенд, схема которого изображена на рис. 1.1, предназначен для исследования методов осуществления амплитудной модуляции в резонансном усилителе мощности, выполненном на биполярном транзисторе КТ602, с простой схемой выходной цепи. Упрощенная схема усилителя и необходимые вспомогательные элементы представлены на лицевой панели лабораторного стенда. Стенд позволяет исследовать базовую модуляцию смещением, коллекторную модуляцию и комбинированную коллекторно-базовую модуляцию.  Рис. 1.1. Любая из исследуемых схем осуществления амплитудной модуляции может быть построена подключением генератора модулирующего сигнала к базовой или к коллекторной цепи транзисторного усилителя мощности с помощью переключателей S1 и S2. Лабораторный стенд наряду с исследуемым устройством включает в себя регулируемые по амплитуде генераторы сигнала возбуждения и модулирующего сигнала и мультиметр, позволяющий измерять токи и напряжения в контрольных точках исследуемого устройства, а также коэффициент модуляции выходного сигнала. При измерении переменных токов и напряжений выводятся их амплитудные значения. Мультиметр подключается к необходимой контрольной точке схемы с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и ее значение. Средняя кнопка предназначена для выделения информации, относящейся к выполняемому пункту лабораторной работы. Левая и правая кнопки позволяют "перелистывать" страницы дисплея назад и вперед в пределах этого пункта. Генератор модулирующего сигнала "ГЕНЕРАТОР G1" обеспечивает дискретное изменение частоты от 10 Гц до 8 кГц (16 значений) и плавную регулировку амплитуды с помощью кнопок ▼ и ▼ и потенциометра "УРОВЕНЬ" соответственно. Генератор входного сигнала возбуждения формирует синусоидальный сигнал с частотой 200 кГц, амплитуда которого плавно регулируется с помощью аттенюатора "ГЕНЕРАТОР G2". Регулировка базового смещения и напряжения коллекторного питания осуществляется с помощью потенциометров и . Переключатели S1 и S2 управляются с помощью кнопок управления, расположенных в нижней части лицевой панели стенда, однократным нажатием на кнопку и удержанием ее в течение 0,5 с. Текущее положение любого переключателя индицируется зажиганием соответствующего светодиода. В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда. При этом кнопками управления ▼ и ▼ ("КАНАЛ 1" и "КАНАЛ 2") на каждый из каналов осциллографа можно независимо выводить осциллограммы тока эмиттера (практически совпадает с током коллектора из-за малого тока базы), контурного тока (ток, текущий через полезную нагрузку ) и модулирующего напряжения . Конкретный вид выводимого сигнала индицируется зажиганием соответствующего светодиода в поле "ОСЦИЛЛОГРАФ". В левом верхнем углу лицевой панели расположен выключатель "СЕТЬ", обеспечивающий включение и выключение стенда. Основные сведения Передача информации связана с управлением каким-либо параметром электромагнитной волны (амплитудой, фазой, поляризацией и т. д.). Амплитудная модуляция (АМ) – один из простейших способов управления колебаниями, при котором по закону изменения модулирующего сигнала изменяется амплитуда высокочастотных колебаний. Реальные модулирующие сигналы являются случайными процессами, спектральная плотность которых практически сосредоточена в ограниченной полосе частот … . Однако при настройке и испытаниях передатчиков используется модуляция одной частотой : . Напряжения в нагрузке ГВВ (на рис. 1.1 - ) является амплитудно-модулированным и имеет вид (2.1) где k = const, , - амплитуда первой гармоники коллекторного тока, – амплитуда коллекторного тока в режиме несущей частоты (случай отсутствия модулирующего сигнала, т.е. =0), – коэффициент (глубина) модуляции ( ); = – несущая круговая частота. Временная диаграмма АМ-колебания для и соответствующий ей спектральный состав представлены на рис. 2.1, а и б соответственно.  Рис. 2.1 Спектр АМ-колебания (2.1) можно представить суммой составляющих трех частот: + 0.5 + 0.5 . (2.2) При АМ различают следующие режимы и соответствующие этим режимам токи и мощности: а) режим несущей частоты ( = 0): = , = 0,5 – отдаваемая активным элементом (биполярным транзистором) мощность в режиме несущей частоты, – эквивалентное сопротивление нагрузки активного элемента, т.е. сопротивление нагрузки активного элемента на несущей частоте; б) максимальный (пиковый) режим = (1 + ), = 0,5 = (2.3) при = 1, = 4 ; в) минимальный режим = (1 – ), = ; г) средний режим, который характеризуется значениями тока и мощности АМ-колебания, усредненными за период модулирующей частоты: = , = . (2.4) Среднее значение мощности равно сумме мощностей колебаний несущей частоты и двух боковых частот (полос - при многочастотной модулирующем сигнале) (см. (2.2)), причем средняя мощность колебаний боковых полос при АМ мала по сравнению с мощностью в режиме несущей частоты ( ≤ 0,3…0,4), хотя именно в них содержится информация о передаваемом сигнале: = /2 ≈ (0,05…0,1) . (2.5) Несмотря на это используемый в модулируемом каскаде транзистор должен обеспечивать мощность . Выражения (2.3)–(2.5) показывают, что номинальная (паспортная) мощность транзистора при АМ используется малоэффективно. С целью повышения среднего уровня коэффициента модуляции , а значит, и повышения мощности боковых полос и КПД в связных передатчиках применяют клипирование – срезание пиков звукового сигнала в тракте модулятора или более сложные методы. Более значительное повышение энергетических показателей АМ-передатчиков и всей линии связи достигается при использовании однополосной модуляции, – в этом случае колебания несущей частоты и одной из боковых полос подавлены. Амплитуда тока и тока в контуре зависят от следующих параметров: , , , . Поэтому АМ можно осуществить, изменяя напряжения на электродах активного элемента или изменяя эквивалентное сопротивление нагрузки . В зависимости от электрода, на который подается модулирующее напряжение, в транзисторных генераторах различают следующие способы осуществления АМ: модуляцию изменением напряжения смещения на базе транзистора (базовую модуляцию) и модуляцию изменением напряжения источника коллекторного питания (коллекторную модуляцию). Отличие формы огибающей АМ-колебания от модулирующего сигнала связано с нелинейными и частотными (линейными) искажениями. Оценка качества модуляции производится на основе статических и динамических модуляционных характеристик (СМХ и ДМХ соответственно). Статическая модуляционная характеристика – зависимость амплитуды первой гармоники коллекторного тока от постоянного напряжения на электроде, в цепь которого подводится модулирующее напряжение, т. е. от для базовой модуляции и от для коллекторной. СМХ позволяет определить границы линейной модуляции, т.е. диапазона изменения (базовая модуляция) или (коллекторная модуляция), при котором амплитуда АМ-колебания прямо-пропорциональна модулирующему напряжению, тем самым определить значения и , соответствующие режиму несущей частоты и оценить нелинейные искажения, возникающие в процессе модуляции. Значения и , соответствующие режиму несущей частоты, обозначим и , соответственно. Амплитудная динамическая модуляционная характеристика (АДМХ) = f( ) – это зависимость глубины модуляции от амплитуды модулирующего напряжения (рис. 2.2). Обычно АДМХ снимается для частоты модулирующего сигнала F = 400 Гц или 1000 Гц и дает возможность определить его допустимый динамический диапазон. При малых значениях амплитуды напряжения модуляции < глубина модуляции может оказаться меньше паразитной (фон, шумы). При больших значениях амплитуды напряжения модуляции > захватываются участки верхнего и нижнего загибов СМХ, что приводит к появлению верхнего загиба в АДМХ. АДМХ снимается, как правило, для отрицательных m– = f ( ) и положительных m+ = f ( ) полупериодов огибающей радиосигнала. Глубина модуляции вверх: , Глубина модуляции вниз:  Совпадение этих характеристик свидетельствует о правильности выбора режима несущей частоты, соответствующего середине линейного участка СМХ. Частотная динамическая модуляционная характеристика (ЧДМХ) = f( ) – это зависимость глубины модуляции от модулирующей частоты при постоянном амплитуде модулирующего напряжения . Она снимается, как правило, при двух значениях амплитуды напряжения , соответствующих коэффициентам модуляции 50 и 90% на средних частотах модулирующего сигнала и позволяет определить частотные искажения (в идеале m не должна зависеть от ). Базовая модуляция. При базовой модуляции напряжение смещения изменяется по закону модулирующего сигнала: = + . В процессе модуляции изменяется как амплитуда импульса коллекторного тока, так и угол отсечки , причем относительно линейная зависимость = f( ) (СМХ) (рис. 2.3) получается в недонапряженном режиме. В этом случае будет прямо-пропорционально модулирующему напряжению , что приводит к получению относительно неискаженного АМ – сигнала. При больших значениях ( ) генератор переходит в перенапряженный режим, в котором ток практически не зависит от напряжения , и поэтому данный режим не может использоваться при модуляции смещением на базу транзистора. В пиковой точке СМХ (максимальный режим) генератор рассчитывается в граничном или в слабоперенапряженном режиме (незначительный провал на вершине импульса коллекторного тока). Используя кусочно-линейную аппроксимацию характеристик УЭ, можно получить аналитическое выражение для СМХ. Для этого используют данные расчета генератора в граничном режиме, соответствующем пиковой точке модуляции. Статическая модуляционная характеристика нелинейна и имеет S‑образную форму. Для того чтобы нелинейные искажения модулирующего сигнала были низкими, а энергетические показатели генератора по возможности высокими, угол отсечки в режиме максимальной мощности выбирается равным 110…120°. В этом случае СМХ имеет симметричный вид и четные гармоники в огибающей АМ-сигнала будут минимальными. Реальные СМХ отличаются от расчетных из-за нелинейности реальных характеристик активного элемента в области изгибов. Для анализа энергетических показателей АМ-генераторов удобно СМХ, а также зависимость = f ( ), аппроксимировать линейной зависимостью. В этом случае соотношения для расчета мощностей и КПД в режиме несущей частоты и других точках СМХ просты и наглядны: = /(1 + m); = /(1 + m)2; = – ; = /(1 + m); где , - КПД в режиме несущей частоты и максимальном режиме, соответственно. Величина КПД при наличии модулирующего напряжения несколько возрастает, так как = и = , а полезная мощность возрастает за счет появления боковых составляющих в спектре сигнала (2.4), (2.5): ; = – . Однако приведенное возрастание КПД незначительно, поскольку средний коэффициент модуляции речевыми сигналами мал. В силу низкого КПД в режиме несущей частоты базовая модуляция оказывается энергетически неэффективной (КПД для одночастотного модулирующего сигнала для m=1 составляет 0.75 , а для многочастотного ( ) – 0.5 ). Так как работа генератора при рассматриваемом способе модуляции происходит в недонапряженном режиме, то уровень базовых токов мал, что обусловливает малую выходную мощность модулирующего сигнала, определяемую, исходя из значения постоянной составляющей базового тока в максимальном режиме = 0,5 . ЧДМХ генератора имеет спад в области низких и верхних частот. Во всех видах АМ модуляционный трансформатор (см. рис. 2.1) может определять спад коэффициента модуляции m( ) как со стороны нижних частот из-за ограниченности индуктивности намагничивания, так и со стороны верхних частот из-за влияния паразитных емкостей и индуктивностей рассеяния. Необходимо учитывать и влияние на ЧДМХ генератора параметров сглаживающих фильтров источников питания и блокировочных элементов. Коллекторная модуляция. В передатчиках большой и средней мощности широко используется коллекторная модуляция, что объясняется ее высокой эффективностью по сравнению с базовой. При коллекторной модуляции последовательно в цепь источника постоянного напряжения подается модулирующее напряжение . При одночастотном модулирующем сигнале напряжение коллекторного питания определяется выражением = + = [1 + ( / ) ] = = (1 + ). (2.6) Анализ влияния коллекторного напряжения на анодный ток показывает, что линейная зависимость составляющих тока и от напряжения наблюдается только в перенапряженном режиме: (рис. 2.4, а). Поэтому первая гармоника и постоянная составляющая изменяются практически по одному закону и для одночастотного модулирующего напряжения имеют вид: = (1 + ); = (1 + ). (2.7) Граничный (или слабоперенапряженный) режим устанавливается при . С учетом (2.6) и (2.7) КПД в любом режиме имеет вид: = / = 0,5( / ) / = 0,5 = const, (2.8) т. е. = = = 0,75…0,8, т.е. в 1.5 – 2 раза больше, чем при базовой модуляции.  Рис. 2.4 Именно поэтому коллекторная модуляция используется в выходных каскадах мощных радиопередающих устройств, определяющих их полный КПД. Однако в чистом виде коллекторная модуляция каскадов практически не используется из-за возрастания напряженности режима работы вблизи = 0 и резкого возрастания базовых токов и нелинейности СМХ (рис. 2.4, б). Средняя мощность, потребляемая коллекторной цепью генератора за период модулирующей частоты: = + , где = - мощность, отдаваемая генератору источником напряжения колекторного питания, = 0,5 - мощность модулирующего сигнала. много больше, чем при базовой модуляции При наличии модулирующего напряжения возрастают средняя мощность АМ-колебаний = (1 + 0.5 ), подводимая мощность и мощность, рассеиваемая на коллекторе = – = (1 + 0,5 ). В максимальном режиме при m = 1 коллекторное напряжение должно выбираться из условия = (1 + ) < , где – максимально допустимое напряжение источника коллекторного питания (рис. 2.5, б). В транзисторных радиопередатчиках обычно используются комбинированные виды модуляции: комбинированная (двойная) коллекторно-базовая модуляция (модулирующее напряжение подается на коллектор, а в базовой цепи используется автосмещение, т.е. напряжение смещение прямо-пропорционально постоянной составляющей тока коллектора) и тройная коллекторная модуляция (модулирующее напряжение подается на коллектор оконечного и предоконечного каскада с автосмещением в базовой цепи в оконечном каскаде). |