Устройства приема и обработки сигналов: Методические указания к лабораторным работам

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Новосибирский государственный технический университет

________________________________________________________

621.39                                                                                   № 2806

У 825

УСТРОЙСТВА ПРИЕМА

И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Методические указания к лабораторным работам

для студентов IV-V курсов радиотехнических специальностей

факультета РЭФ всех форм обучения

НОВОСИБИРСК

2004

УДК 621.391.26+621.396.62] (07)

         У 825

Составили:  д-р техн. наук, проф. А.В. Киселев,

                 канд. техн. наук, доц. А.Н. Романов,

ассист. И.С. Савиных,

  магистрант М.А. Степанов

Рецензент:  канд. техн. наук, доц. С.Е. Лявданский

Работа подготовлена кафедрой радиоприемных

и радиопередающих устройств

ã    Новосибирский государственный

технический университет, 2004

Оглавление

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ............................... 5

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.......................................... 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕСЕЛЕКТОРА................................. 6

1.1. Предварительная подготовка к работе......................... 6

   1.1.1. Теоретическая подготовка к работе....................... 6

   1.1.2. Задание для предварительной подготовки............. 6

1.2. Экспериментальная часть работы................................ 7

   1.2.1. Описание схемы лабораторной установки............. 7

   1.2.2. Содержание экспериментальной части работы...... 9

   1.2.3. Указания по выполнению лабораторной работы.... 9

1.3. Моделирование входных цепей в системе Micro-Cap 10

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2........................................ 16

 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ...................................... 16

2.1. Предварительная подготовка к работе....................... 16

   2.1.1. Теоретическая подготовка к работе...................... 16

   2.1.2. Задание для предварительной подготовки........... 17

   2.2. Экспериментальная часть работы........................... 17

   2.2.1. Описание схемы лабораторной установки........... 17

   2.2.2. Содержание экспериментальной части работы.... 18

   2.2.3. Указания по выполнению лабораторной работы.. 19

2.3. Моделирование преобразователя частоты

       в системе Micro-Cap ................................................. 20

   2.3.1. Описание исследуемой модели............................ 20

   2.3.2. Содержание и выполнение работы....................... 20

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3........................................ 24

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРА СИГНАЛОВ................. 24

3.1. Предварительная подготовка к работе....................... 24

   3.1.1. Теоретическая подготовка к работе...................... 24

   3.1.2. Задание для предварительной подготовки........... 25

3.2. Экспериментальная часть работы.............................. 25

   3.2.1. Описание схемы лабораторной установки........... 25

   3.2.2. Содержание экспериментальной части работы.... 27

   3.2.3. Указания по выполнению лабораторной работы.. 27

4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4........................................ 28

ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОГО ДЕТЕКТОРА.......... 28

4.1. Предварительная подготовка к работе....................... 28

4.2. Экспериментальная часть работы.............................. 29

   4.2.1. Описание исследуемой модели............................ 29

   4.2.2. Содержание и выполнение работы....................... 29

ЛИТЕРАТУРА....................................................................... 33

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1. К выполнению лабораторного практикума допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности и расписавшиеся в журнале преподавателя.

2. Лабораторные работы состоят из двух взаимодополняющих частей. Первая часть проводится на специализированных стендах. Вторая – на персональных компьютерах (ПК). Пункты лабораторного задания, выполняемые на стенде и на ПК, задаются преподавателем. Время, отводимое на выполнение и защиту одной лабораторной работы, – четыре академических часа.

3. Специализированный стенд представляет собой развернутую действующую схему супергетеродинного приемника средневолнового диапазона (520…1600 кГц).

Стенд включает следующие основные узлы: входное устройство, усилитель высокой частоты, преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, детектор, систему автоматической регулировки усиления, блок питания. Все каскады выполнены в виде отдельных блоков, соединяемых между собой кнопочными переключателями. В узлах использованы интегральные микросхемы серии 228.

4. Лабораторные работы, выполняемые на персональном компьютере, включают в себя моделирование работы узлов средневолнового приемника с использованием системы Micro-Cap. Моделируются входные цепи, преобразователь частоты и синхронный детектор.

5. Перед выполнением лабораторной работы студенты должны ознакомиться с ее описанием, выполнить вариант контрольного задания и подготовить протокол (один на бригаду) для занесения результатов эксперимента. Неподготовленные студенты к выполнению работы не допускаются.

6. По результатам выполнения работы бригада оформляет отчет и защищает его. В отчете должно быть приведено: цель работы; расчет контрольного задания; принципиальная схема измерительной установки; результаты натурных экспериментов; результаты моделирования на ПК; выводы. Выводы по лабораторной работе являются обязательной частью отчета. Они пишутся для каждого пункта выполненной работы и должны включать сравнение полученных и ожидаемых результатов, а также объяснение возможных расхождений между ними. Отчет, не содержащий выводов, считается неполным и не может представляться к защите.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕСЕЛЕКТОРА

1.1. Предварительная подготовка к работе

1.1.1. Теоретическая подготовка к работе

Лабораторная работа охватывает материал, входящий в разделы «Входные цепи» и «Усилители высокой частоты». При подготовке к работе необходимо усвоить следующие вопросы: назначение ВЦ и УВЧ, их схемотехника; параметры ВЦ и УВЧ в диапазоне частот, в частности, коэффициент передачи ВЦ и коэффициент усиления УВЧ, устойчивость УВЧ.

Контрольные вопросы

1. Назначение входных цепей. Их эквивалентная схема при внешне емкостной и индуктивной связи и ненастроенной антенне. Влияние антенны на настройку цепи.

2. От чего зависят селективность и коэффициент передачи входного устройства? Как они изменяются в диапазоне частот?

3. Принципиальные и эквивалентные схемы транзисторных УВЧ. Усилители с ОЭ и ОБ. Каскодная схема. Влияние обратных связей на свойства УВЧ.

1.1.2. Задание для предварительной подготовки

1. Рассчитать, используя данные из табл.1.1, резонансный коэффициент передачи входной цепи на минимальной и максимальной частотах диапазона (L_к = 0.2 мГн).

Таблица 1.1

1.2. Экспериментальная часть работы

1.2.1.  Описание схемы лабораторной установки

Схема лабораторной установки для исследования преселектора содержит эквивалент ненастроенной антенны (C₁), контур входной цепи (ВЦ) (L₂, C₄, C₅) (рис. 1.1) и резонансный УВЧ
(рис. 1.2).

В УВЧ используется микросхема 228УВ3, представляющая собой усилитель на двух транзисторах, включенных по каскодной схеме, и селективно-согласующая цепь (L₃, C₁₁, C₁₂, L₄). Переключателем S₃ в усилитель вводится отрицательная обратная связь (последовательная по току). Элементы C₁₄ и R₂ служат эквивалентом входной проводимости следующего каскада радиоприемника – преобразователя частоты.

Рис. 1.1

Рис. 1.2

Лабораторная установка позволяет исследовать преселекторы (ВЦ и УВЧ) радиоприемников, работающих с ненастроенной антенной и имеющих: индуктивную связь с антенной (индуктивности связи L₁, L₂); внешне емкостную связь с антенной (емкости связи C₂, C₃).

1.2.2. Содержание экспериментальной части работы

1. Уточнить значения минимальной и максимальной частот диапазона перестройки при различных видах связи.

2. Снять зависимость резонансного коэффициента передачи входной цепи от частоты настройки при внешне емкостной связи (C_св  = C₂), а также при индуктивной связи для повышенной и пониженной частот антенной цепи. Построить графики зависимости резонансных коэффициентов передачи от частоты.

3. Определить резонансную частоту антенной цепи для индуктивной связи при пониженной и повышенной частоте антенной цепи.

4. Снять амплитудную характеристику УВЧ с обратной связью и без нее. Построить графики и по ним определить максимально допустимые входные сигналы, соответствующие линейным участкам характеристики. Измерения проводить на частоте 1500 кГц.

5. Снять и построить АЧХ УВЧ с обратной связью и без обратной связи на краях диапазона. По результатам измерений определить полосы пропускания на уровне 0.707 и эквивалентные затухания на этих частотах.

1.2.3. Указания по выполнению лабораторной работы

1. Положения всех переключателей в схемах, изображенных на макетах (рис. 1.1, 1.2), соответствуют отжатым кнопкам. Цепь отрицательной обратной связи в УВЧ включена при отжатой кнопке S₃.

2. К выходу УВЧ должен быть подключен эквивалент входной проводимости следующего каскада (S₅ в нажатом положении).

3. При исследовании входной цепи без УВЧ на выходе входной цепи должен быть подключен эквивалент входной проводимости УВЧ (S₂ в нажатом положении).

4. АЧХ должна сниматься только в линейном режиме работы УВЧ.

5. При изменении обратной связи в УВЧ и его связи с нагрузкой необходимо проводить подстройку контура (L₃, C₁₃), добиваясь резонанса.

1.3. Моделирование входных цепей в системе Micro-Cap

1. Включить компьютер, запустить Micro-Cap.

2. В главном окне программы набрать схему в соответствии с номером варианта для внешне емкостной связи с антенной (см. табл. 1.2 и рис. 1.3).

2.1. В качестве источника сигнала следует выбрать Sine Source (команда меню Component/ Analog Primitives/ Waveform Sources/ Sine Source). Имя (Part) источника изменить на V. Выбрать модель 1MHz (Model = 1MHz).

2.2. Для подсоединения общего провода используется компонент Ground (земля) (команда меню Component/ Analog Primitives/ Connectors/ Ground). Соединение компонентов осуществляется с помощью «провода» (Wire Mode) (команда меню Options/ Mode/ Wire). Изменение положения компонентов – в режиме выбора (Select Mode) (команда меню Options/ Mode/ Select).

2.3. Подключение в схему резисторов (Resistor) и конденсаторов (Capacitor) осуществляется выбором соответствующего компонента (команда меню Component/ Analog Primitives/ Passive Components/ Resistor или Capacitor). Причем значение (Value) сопротивления или емкости задается в виде множителя и непосредственно следующего за ним порядка (без пробела). Например,
10 кОм можно записать: 10k или 10е3, а 10 пФ как 10p или
10е-12.

2.4. Подключение в схему индуктивности (Inductor) производится по аналогии с пунктом 2.3. Для реализации трансформаторной связи используется идеальная магнитная связь между индуктивностями (K) (команда меню Component/ Analog Primitives/ Passive Components/ K). Задание параметров магнитной связи осуществляется в поле «Список индуктивностей» (Inductors), где через пробел записываются связанные индуктивности. Коэффициент магнитной связи (k) записывается в поле «Магнитная связь» (Coupling).

2.5. Номера узлов при перекомпоновке схемы могут измениться, поэтому следует вводить текстовое обозначение узлов, соответствующих входу и выходу схемы (IN, OUT). Оно осуществляется в текстовом режиме (Text Mode) (команда меню Options/ Mode/ Text).

2.6. Сопротивление катушки Rk на рис. 1.3 и 1.4 зависит от частоты. Для учета этой зависимости в режиме анализа частотных характеристик необходимо при задании параметров Rk в поле FREQ (зависимость от частоты) записать выражение Rkm*F/5e5, где Rkm – значение Rk, указанное в табл. 1.2.

3. Перейти в режим расчета частотных характеристик «AC Analysis» (команда меню Analysis/ AC...).

3.1. Установить параметры моделирования в соответствии с рис. 1.5: Frequency range (частотный диапазон); Number of points (число точек); Frequency step (шаг по частоте); Auto Scale Ranges (Автоматическое масштабирование по осям X и Y); P (номер графика); X Expression (переменная, значения которой откладываются по Х) и Y Expression (выражение, результат которого откладывается по Y).

3.2. Установить параметры изменения емкостей контура и связи в окне «Stepping» в соответствии с вашим заданием – вариантом. Установить Parameter 1: изменение по параметру (Step What) – CK, от (From) и До (To) в соответствии с вариантом; шаг (Step) – исходя из того, чтобы количество значений было 5…7, включить изменение по параметру (Step It) – Yes (рис. 1.6). В соответствии с вашим заданием – установить Parameter 2: изменение по параметру (Step What) – Csv, от (From) и до (To) в соответствии с вариантом; шаг (Step) – выбирается так, чтобы количество значений было равно 3. Включить изменение по параметру (Step It) – Yes (рис. 1.6).

3.3. Запустить режим расчета частотных характеристик «AC Analysis» (команда меню AC/ Run).

4. Для трех значений Csv определить резонансный коэффициент передачи в зависимости от частоты. Для этого перейти в режим курсора «Peak» (команда меню Scope/ Cursor Functions/ Peak) и, перемещая курсор стрелками ­ и ¯, записать частоту и соответствующий ей резонансный коэффициент передачи, которые появляются рядом с максимумом резонансной кривой. Результаты занести в три таблицы, аналогичные табл. 1.3, построить графики.

5. Для трех значений Csv определить полосу пропускания по уровню 0.707 на краях диапазона.

5.1. Сохраняя режим курсора «Peak», выбрать резонансную кривую, для которой будет определяться полоса. Вычислить значение, соответствующее уровню 0.707 (0.707*K₀).

5.2. Перейти в режим курсора Go to Y (команда меню Scope/ Go to Y...). Затем в поле Value установить значение 0.707*K₀ и нажать кнопки Right, Left. Под графиком в строке F будут указаны значения частоты для правого и левого курсора, а также их разность, которая и будет являться шириной полосы по уровню 0.707.

5.3. Действуя аналогичным образом, необходимо определить полосы по уровню 0.707 для максимальной и минимальной частот настройки входной цепи. Результаты (f₀ и Df_0.7) занести в три таблицы, аналогичные табл. 1.4.

5.4. По полученным данным вычислить значения d_э и Q_э.

6. Выйти из режима расчета частотных характеристик «AC Analysis» (команда меню AC/ Exit Analysis). Набрать схему в соответствии с номером варианта для индуктивной связи с антенной при пониженной частоте антенной цепи (см. табл. 1.2 и
рис. 1.4).

7. Перейти в режим расчета частотных характеристик «AC Analysis» (команда меню Analysis/ AC...).

7.1. Установить параметры моделирования Frequency range (частотный диапазон); Number of points (число точек); Frequency