Радиоавтоматика "Фазовый детектор на дифференциальном усилителе"

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НИ ТГУ)
Радиофизический факультет
Кафедра радиоэлектроники
ОТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №3
«ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР НА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОМ УСИЛИТЕЛЕ»
дисциплина «Радиоавтоматика»
Выполнили студенты гр. №07608:
Южаков М. С.
Харитонов М.В.
Проверил:
доцент, канд. физ.-мат. наук
_____________ С. С. Новиков
ТОМСК 2020
Задание №1
Соберем на плате Multisim предложенную схему ФМ-детектора (рис. 1).
Рисунок 1 – Схема фазового детектора на дифференциальном усилителе
Снимем
дискриминационную
характеристику.
Для
этого
источник
ЧМ-сигнала V3 был заменен на источник гармонического сигнала V4. Амплитуду
источников установили 1,41 В (1 Vrms), частоту 1 МГц.
ДУ является перемножителем входных сигналов.
1
sin(𝜔𝑡 + 𝜑𝑉4 ) ∙ cos(𝜔𝑡 + 𝜑𝑉2 ) = (sin(2𝜔𝑡 + 𝜑𝑉4 + 𝜑𝑉2 ) + sin⁡(𝜑𝑉4 − 𝜑𝑉2 )).
2
Составляющая с аргументом 2𝜔𝑡 фильтруется с помощью ФНЧ. Таким
образом, чтобы на выходе ФД получить гармонический сигнал с аргументом в виде
разности фаз, необходимо сместить фазу гетеродина на 90°.
Изменяя разность фаз источников (𝜑𝑉4 − 𝜑𝑉2 ), наблюдаем изменение
напряжения на выходе ФД. Результаты измерений занесены в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты измерений
(𝜑𝑉4 − 𝜑𝑉2 ),
град,
-180
-170
-160
-150
-140
-130
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
𝑈ФД , В
0,108
-0,18
-0,43
-0,675
-0,898
-1,105
-1,29
-1,413
-1,514
-1,541
-1,496
-1,387
-1,234
-1,059
-0,837
-0,601
-0,36
-0,103
0,153
(𝜑𝑉4 − 𝜑𝑉2 ),
град,
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
𝑈ФД , В
0,153
0,41
0,697
0,976
1,212
1,43
1,614
1,767
1,862
1,874
1,823
1,696
1,544
1,349
1,126
0,879
0,643
0,367
0,108
Вид полученной таким способом дискриминационной характеристики
приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Дискриминационная характеристика ФД
Из рисунка 2 видно, что при изменении разности фаз сигналов
(от источников V4 и V2) в пределах [-55°, 55°] градусов, напряжение на выходе ФД
меняется по закону, близкому к линейному. Таким образом, при настройке схемы
следует учесть, что максимальная девиация фазы между сигналами должна
находится в рекомендуемом интервале [-55°, 55°] для исключения нелинейных
искажений.
Вернем в схему источник ЧМ сигнала V3. Настроим параметры источника:
частота несущей 1 МГц, частота модулирующего сигнала 2 кГц, амплитуда 1,41 В,
индекс модуляции установим равным 3.
Для визуального контроля разности фаз источников V3 и V2 подключим
второй осциллограф. Канал А подключим к выходу V3, канал Б – к выходу V2.
Пронаблюдаем осциллограммы входных сигналов.
Рисунок 3а – Осциллограммы входных сигналов (М = 3)
По рисунку 3 рассчитаем амплитудный сдвиг фазы источника V3
относительно
V2.
Из
осциллограммы
видно,
что
синяя
осциллограмма
«перемещается» относительно красной. Соответственно, зафиксируем крайние
положения выбранного пика синей осциллограммы маркерами (рис. 3 слева, рис. 3
справа) и определим максимальный временной сдвиг. Для этого запустим режим
измерения Single и подождем пока время симуляции достигнет 1 мс. Затем можно
«пролистать» осциллограмму и сделать необходимые измерения.
Рассчитаем сдвиг фазы по формуле ниже.
𝜑 = 360 ∙ 𝑓 ∙ ∆𝑡,
𝜑 = 360 ∙ 1⁡МГц ∙ 956,416⁡нс = 344°.
Таким образом, сдвиг фаз между входными сигналами изменяется в интервале
[-172°, 172°]. Такой сдвиг фаз приходится на интервал больше рекомендуемого, т.е.
на нелинейную часть дискриминационной характеристики, что приводит к
искажениям (рисунок 3б).
Рисунок 3б – Осциллограмма выходного сигнала (М = 3)
На рисунке 3б видно, что детектируемый сигнал имеет периодический
характер. Его форма не является гармонической.
Подберем такой индекс модуляции, чтобы сдвиг фаз между входными
сигналами изменялся в интервале [-55 ° , 55 ° ] и форма выходного сигнала была
наиболее близка к гармонической.
Установим индекс модуляции равным 0,9 и пронаблюдаем осциллограммы
сигналов на входе и выходе ФД.
Рисунок 4 – Осциллограммы входных сигналов (М = 0,9)
По данным рисунка 4 рассчитаем сдвиг фазы.
𝜑 = 360 ∙ 𝑓 ∙ ∆𝑡,
𝜑 = 360 ∙ 1⁡МГц ∙ 290,557⁡нс = 105°.
Сдвиг фаз между входными сигналами изменяется в интервале [-52,5°; 52,5°].
Пронаблюдаем осциллограмму выходного сигнала (рис. 5).
Рисунок 5 – Осциллограммы выходного сигнала (М = 0,9)
Детектируемый сигнал является периодической функцией (с периодом 500
мкс). Его форма является близкой к гармонической и без искажений. Таким образом
мы настроили дифференциальный усилитель в качестве фазового детектора.
Выбранный нами способ настройки заключается в контроле формы
детектируемого напряжения. Мы изменяли индекс модуляции до тех пор, пока не
получили такой детектируемый сигнал, который изменяется по гармоническому
закону.
Чтобы реализовать такой способ в реальном ФМ-приемнике (при условии, что
мы не знаем частоту несущей при фазовой модуляции на передатчике) необходимо
подстраивать частоту гетеродина (источника V2) так, чтобы детектируемое
напряжение изменялось по гармоническому закону (повторяло модулирующий
сигнал передатчика).
Вывод: Учитывая периодичность и нечетность детекторной характеристики
(рис. 2), был настроен фазовый детектор для демодуляции ЧМ-сигнала. А также
обоснован подобный способ настройки для ФМ-приёмника.
Задание №2
Пронаблюдаем
зависимость
формы
выходного
сигнала
от
глубины
модуляции. Изменяем глубину модуляции от 1 до 6 с шагом 1. Осциллограммы
приведены на рисунках 6-11.
Рисунок 6 – Форма выходного сигнала при индексе модуляции M = 0,2
Рисунок 7 – Форма выходного сигнала при индексе модуляции M = 2
Рисунок 8 – Форма выходного сигнала при индексе модуляции M = 3
Рисунок 9 – Форма выходного сигнала при индексе модуляции M = 4
Рисунок 10 – Форма выходного сигнала при индексе модуляции M = 5
Рисунок 11 – Форма выходного сигнала при индексе модуляции M = 6
Вывод: при недостаточной глубине модуляции (М = 0,2) диапазон изменения
фаз находится в меньших пределах, чем рекомендуемые (т.е. в малом диапазоне
линейной области дискриминационной характеристики), следовательно, мы
наблюдаем сигнал близкий к гармоническому с малой амплитудой.
При оптимальном индексе модуляции (М = 0,9) диапазон изменения фаз
находится в пределах [-55°, 55°] (т.е. полностью охватывает весь линейный участок
дискриминационной характеристики), следовательно, мы наблюдаем сигнал с
формой наиболее близкой к гармонической и максимальной амплитудой (рис. 5).
При увеличении индекса модуляции (М = 2; 3; 4; 5; 6) диапазон изменения фаз
выходит за пределы интервала [-55°, 55°] (т.е. попадает в нелинейную область
дискриминационной характеристики), следовательно, мы наблюдаем искажения в
детектируемом сигнале.
Задание №3
Проанализируем особенность выходного сигнала при изменении ёмкости
ФНЧ.
Частоту среза по стандартной формуле для RC ФНЧ фильтра рассчитать не
получится, т.к. он включен по балансной схеме. Следовательно, снимем АЧХ
усилитель с помощью Bode plotter. Заменим источник ЧМ-сигнала V3 на
функциональный генератор, источник гармонического сигнала V2 отключим. Bode
plotter подключим следующим образом: IN+ к клемме «+» XFG1, IN- к GND, OUT+
к коллектору Q1, OUT- к коллектору Q2.
Снимем АЧХ усилителя и пронаблюдаем осциллограмму выходного сигнала
при различных значениях ёмкости С6.
Рисунок 12 – АЧХ усилителя при C6 = 10,5 пФ (полоса пропускания 5,217 МГц)
Рисунок 13 – Осциллограмма выходного сигнала при C6 = 10,5 пФ
Из рисунка 13 можем видеть, что на выходе присутствует высокочастотная
составляющая. Потому что полоса пропускания фильтра 5,217 МГц и все продукты
(1 МГц, 2 МГц и пр.) перемножения мы наблюдаем на выходе ФД.
Рисунок 14 – АЧХ усилителя при C6 = 75 нФ (полоса пропускания 4,848 кГц)
Рисунок 15 – Осциллограмма выходного сигнала при C6 = 75 нФ
Из АЧХ усилителя при емкости 75 нФ видно, что полоса пропускания
значительно сузилась. Теперь все высокочастотные составляющие хорошо
отфильтровываются, а информационная составляющая пропускается фильтром.
Рисунок 16 – АЧХ усилителя при C6 = 1 мкФ (полоса пропускания 4,043 кГц)
Рисунок 17 – Осциллограмма выходного сигнала при C6 = 1 мкФ
Из АЧХ усилителя при C6 = 1 мкФ видно, что ВЧ составляющие также хорошо
отфильтровываются, но фильтр с такими настройками пропускает очень низкие
частоты. Из осциллограммы на рисунке 17 можем наблюдать аддитивную НЧ
составляющую.
Вывод: фильтр с емкостью C6 = 75 нФ отфильтровывает нежелательные НЧ
и ВЧ составляющие. Следовательно, такой фильтр для наших целей является
оптимальным.
Задание №4
Исследуем особенности работы ФМ-детектора при отклонении частоты
гетеродина от частоты несущего сигнала.
При отстройке частоты гетеродина от частоты несущей ЧМ-сигнала на 10 кГц
наблюдаем негармонический периодический сигнал (рис. 18а). Период составляет
~500 мкс (2 кГц), а также наблюдаются более высокочастотные составляющие.
При отстройке на 0,5 кГц (рис. 18б) наблюдается похожая ситуация на
вышеописанную, но с большей амплитудой колебаний. Период колебаний 2 мс.
а
б
Рисунок 18 – Осциллограммы выходных сигналов при a) fг = 990 кГц, б) fг = 999,5 кГц
При отстройке на 20 кГц (рис. 19а) наблюдаем более высокочастотный сигнал.
При отстройке на 1 МГц (рис. 19б) наблюдаем негармонический
периодический сигнал (T = 506 мс). Также видна более высокочастотная
составляющая.
а
б
Рисунок 19 – Осциллограммы выходных сигналов при a) fг = 1020 кГц, б) fг = 2 МГц
Вывод: при отклонении частоты гетеродина от несущей ЧМ-сигнала
наблюдаются искажения выходного сигнала ФД.
Результаты и выводы
В ходе лабораторной работы мы собрали и настроили дифференциальный
усилитель в качестве фазового детектора. Настройка усилителя производилась
путем изменения индекса модуляции и контроля формы выходного сигнала.
Обсудили реализацию способа настройки ФД на ДУ при использовании в качестве
детектора сигнала с фазовой модуляцией. В ходе обсуждения выяснили, что
необходимо перестраивать частоту гетеродина до тех пор, пока форма выходного
сигнала не будет повторять форму модулирующего сигнала. При правильной
настройке частота гетеродина должна совпасть с несущей частотой ФМ-сигнала.
Оценили влияние полосы пропускания ФНЧ на форму выходного сигнала.
Убедились в том, что выбраны оптимальные параметры фильтра. Такой фильтр
пропускает
детектируемый
информационный
сигнал
и
отфильтровывает
нежелательные НЧ и ВЧ составляющие.
Выяснили, что при отстройке от оптимальных значений таких параметров как,
индекс модуляции, частота гетеродина, полоса пропускания фильтра наблюдаются
искажения детектируемого сигнала.