w tym procesie posiada stałą wartośću . Podstawowym parametrem charakteryzującym sygnał zmodulowany FM jest dewiacja częstotliwości f

Transkrypt

1 MODULACJA FM /wkładka bisdpf/ WSTĘP Przedmiotem ćwiczenia są zagadnienia związane z transmisją sygnałów elektrycznych przeniesionych poza pasmo macierze za pomocą tzw. modulacji kąta modulacji częstotliwości oraz azy. Modulację częstotliwości otrzymuje się przez zmianę chwilowej wartości częstotliwości sygnału nośnego u FM (t) o wielkość proporcjonalną do amplitudy przebiegu modulującego u ( t). Szybkość tych zmian określa częstotliwość modulująca. Przyjmuje się przy tym, że mod amplituda sygnału u FM (t) w tym procesie posiada stałą wartośću FM. Podstawowym parametrem charakteryzującym sygnał zmodulowany FM jest dewiacja częstotliwości oraz indeks modulacji β. β = ( FM ( )) MAX m = przy czym m maksymalna częstotliwość zawarta w sygnale modulującym. Zgodnie z twierdzeniem Carsona, 98% prążków widmowych zawiera się w przedziale ( m ), według przybliżenie Bessel a widmo jest ograniczone do ( n m ), przy czym n to największa liczba całkowita, dla której J ( β ),. n Tabela I. Wartości unkcji Bessela. u t m Biorąc pod uwagę indeks modulacji wyróżnia się modulację wąskopasmową FM NBFM (ang. narrow band requency modulation), dla której β <<, oraz modulację szeroko pasmową β >> WBFM (ang. wide band requency modulation). Modulator FM można wykonać bezpośrednio (jako układ VCO) lub pośrednio w postaci układu całkującego i modularna azy. W czasie zajęć laboratoryjnych będzie badanych modulator FM, zbudowany w parciu o scalony generator przestrajany napięciem. Strona z

2 OPIS TECHNICZNY BADANYCH UKŁADÓW. Modulator FM w postaci generatora VCO Jednym z bloków unkcjonalnych scalonej pętli azowej CD446 (Rys. 4) jest generator przestrajany napięciem VCO. Zastosowanie tego typu układu do konstrukcji modulatora FM o określonych parametrach, wymaga odpowiedniego ukształtowania sygnału modulującego Rys.. W zaproponowanym rozwiązaniu, zadaniem układów U, U jest ustalenie wartości i polaryzacji napięcia stałego, tak aby generator mógł pracować z założoną częstotliwością spoczynkową (jest to częstotliwość nośnia FM = C ), oraz dewiacją, wynikającą z nachylenia charakterystyki VCO ( k G ), a także amplitudy sygnału modulującego U mod. Do budowy modulatora zastosowano wkładki dydaktyczne bisdpf oraz dwie wkładki DWO. Wkładka bisdpf musi być skonigurowana jako VCO natomiast wkładki DWO pełnią rolę układów U oraz U (Rys. ). Ponieważ modulator FM (wkładka bisdpfw koniguracji VCO) zasilany jest napięciem unipolarnym, aby otrzymać częstotliwość nośną C = ( częstotliwość środkowa VCO) na wejście układu U (WE ) doprowadzone musi być napięcie stałe. W ten sposób można za pomocą zewnętrznego źródła napięcia stałego (moduł SN) precyzyjnie ustalić częstotliwość oraz wyznaczyć zakres przestrajania generatora (statyczną charakterystykę modulatora). Wzmacniacz U pracuje w koniguracji sumatora napięcia stałego i sygnału modulującego. Wartości elementów wzmacniacza należy tak dobrać, aby jego rezystancja wejściowa była większa od kω, wzmocnienie sygnału stałego wynosiło V/V, a sygnału zmiennego zapewniało odpowiednią dewiację częstotliwości przy zadanej amplitudzie sygnału modulującego. Wzmacniacz U dopasowuje polaryzację napięcia sterującego VCO, pracuje zatem w koniguracji wzmacniacza o wzmocnieniu V/V. Sygnał prostokątny z wyjścia VCO przez wtórnik, doprowadzony jest do gniazda wyjściowego WY, wkładki bisdpf. Na bazie uproszczonego schematu badanego modulatora FM, w zakresie liniowej pracy generatora przestrajanego dewiacja częstotliwości może być wyrażona, jako: = k U k ( ) gdzie: G S = G AU mod kg wzmocnienie VCO, uzależnione od wartości elementów R, R oraz C ; U S napięcie na wejściu VCO; A wypadkowe wzmocnienie sygnału w U i U, U napięcie na wejściu modulatora, wejście ( WE układu U ). mod Dla wymaganej dewiacji lub wskaźnika modulacji β sygnału zmodulowanego FM można, przez dobór elementów zewnętrznych ustalić zakres przestrajania VCO. Zmieniając z kolei wartość wzmocnienia U można tak dobrać napięcie sterujące U S, aby przenieść sygnał U mod o założonej dynamice DR. Strona z

3 U sumator WE R k WE R k R6 R7 Vee Vcc R k UA C4 uf TL8 C5 uf U dopasowanie polaryzacji napiecia R4 k 6 5 R5 k UB 7 TL8 Z5 U generator przestrajany napieciem C nf Z7 U 4 COMP_IN VCO_ SIG_IN Cx Cx 5 INH R R Uzas CD446 PH_PULSE COMP_ COMP_ VCO_IN DEMO ZENER C7 uf 9 5 R R Uee 5 V C6 uf UA TL8 R 5 L C uf uh WY RG Z6 Z8 RG C8 uf R9 k 5 V L uh C uf Uee Rys.. Przykładowe rozwiązanie modulatora FM z układem CD446 U mod U o DW WE WY WE Wzm. sumujący Ku = x V/V Ku = V/V DW WE WY Wzm. buorujący Ku=V/V U S Rys.. Schemat blokowy modulatora FM. bisdpf NAP.STER WY Generator przestrajany napięciem U FM. Opis wkładki bisdpf Wkładka bisdpf zawiera scaloną pętle azową CD446 jej schemat blokowy przedstawia Rys. 4, natomiast jej płytę czołową Rys.. min Dobór elementów generatora VCO pętli azowej według danych katalogowych przebiega według algorytmu: określić częstotliwość oraz połowa zakresu przestraja generatora; wyznaczyć min = o ; z wykresu na rysunku igure 5, noty katalogowej odczytać wartości R (R G w modelu) oraz C (C w modelu ma wartość nf) max wyznaczyć wartości: =, w celu określe R nia na bazie wykresu irgure 5 danych katalogowych. R obliczyć R bis DPF WE WE WY WY PĘTLA FAZOWA PLL DETEKTOR FILTR VCO VCO NAP.STER WE mod Rys.. Wygląd płyty czołowej modułu bisdpf Strona z

4 Jeżeli projektowany generator ma przestrajać się dla pełnej zmiany napięcia wejściowego od V SS do V DD (bez osetu w modelu w zakresie 5V ) wówczas R = (Dane katalogowe CD 446 FIGURE 9). W praktyce okazuje się, że rozrzut technologiczny produkowanych pętli azowych oraz dokładność wykresów znajdujących się w notach aplikacyjnych, skutkuje dokładnością otrzymanych min i max na poziomie %!!! W takim przypadku precyzyjne wyznaczenie poszukiwanych rezystancji można przeprowadzić eksperymentalnie. Przy braku R i napięciu na wejściu VCO równym U max (5V) tak dobiera się R, aby uzyskać max, następnie dla przyłożonego napięcia U min dobiera się R, tak aby otrzymać na wyjściu przebieg o częstotliwości min. NAP. STER. WE WE WY SUMATOR WZM V/V C DF DF Z R F SW Z C F VCO PLL WZM V/V VCO WY Z Z 5 Z 7 Z 4 R F R G R G SW Z 6 Z 8 Rys. 4. Schemat blokowy wkładki bisdpf. Z Z R F U CD446 C nf C 47nF Z Z 4 R F DPF Z 5 Z 6 R G Z 7 Z 8 R G Rys. 5. Wygląd płytki drukowanej modułu bisdpf Strona 4 z

5 Vee Uee WE WE NAP.STER. R k R k R6 R7 Vcc 5 V 5 V R k UA TL8 C4 uf C5 uf L C uf R4 k uh 6 5 L uh C uf R5 k Uee UB 7 TL8 VDD VSS C uf Z5 RG Z6 R4 k C nf Z7 Z8 RG Piny zasilania 446 Uzas Uzas U COMP_IN VCO_ SIG_IN Cx Cx INH R R CD446 C8 uf PH_PULSE COMP_ COMP_ VCO_IN DEMO ZENER R9 k C7 uf 9 5 R5 k R R SW SW C6 uf UA TL8 PLL VCO R8 k Z 6 5 R R 5 Z Z R Z4 UB 7 TL8 C 47nF SW R 5 WY WY Rys. 6. Schemat ideowy wkładki bisdpf

6 . Opis wkładki DWO Wkładka DWO zawiera wzmacniacz operacyjny µa74 oraz zestaw dziewiętnastu odpowiednio rozmieszczonych i połączonych zacisków. Zaciski te umożliwiają dołączenie do wzmacniacza operacyjnego różnych elementów zewnętrznych: rezystorów, kondensatorów i zwór. Schemat ideowy wkładki przedstawiono na Rys. 7. Rozmieszczenie zacisków na rysunku jest takie samo, jak na płytce drukowanej w widoku od strony elementów. Przełącznik suwakowy umożliwia dołączenie zacisku do masy lub do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego. Rys. 7. Wygląd płytki drukowanej wkładki DWO Rezystory R i R zmniejszają oddziaływanie przewodów połączeniowych na pracę układu i wyniki pomiarów, natomiast rezystory R i R 4 stanowią dzielnik napięciowy, zabezpieczający przed przekroczeniem dopuszczalnego zakresu napięć wejściowych przetwornika wartości szczytowej acdc i przetwornika kątnapięcie. Rys. 8. Płyta czołowa wkładki DWO. Strona 6 z

7 SPRZĘT NIEZBĘDNY DO WYKONANIA ĆWICZENIA bisdpf wkładka dydaktyczna scalonej pętli azowej, x DWO wkładka dydaktyczna wzmacniacza operacyjnego SA (SA) regulowane źródło napięcia stałego SP przełącznik dc Generator unkcyjny GFG5 Generator unkcyjny GFG855A Oscyloskop cyrowy Multimetr CZĘŚĆ PROJEKTOWA ĆWICZENIA.. Wyznacz widma sygnału FM o dewiacji % C =4kHz, zmodulowanego sygnałem sinusoidalnym częstotliwościach Hz, Hz, Hz, khz. Wyznacz indeks modulacji... Skoniguruj generator GFG855, jako modulator FM (U FM = V, C = 4kHz), z zewnętrznym sygnałem modulującym, którego źródłem jest generator GFG5. Dobierz tak amplitudę sygnału modulującego, aby otrzymać dewiację na poziomie % C... Opracuj i narysuj w konspekcie schematy połączeń układów pomiarowych do wszystkich eksperymentów przeprowadzanych w ćwiczeniu (patrz p.4)..4. Zaprojektuj modulator FM na bazie VCO układu CD446 moduł bisdpf oraz DWO o parametrach wybranych z tabeli I. Podczas obliczeń pamiętaj o tolerancji wartości rezystancji. Skoryguj obliczenia do dobranych wartości elementów. Pamiętaj, że zakres przestrajania VCO może przekraczać założoną dewiację częstotliwości!!! Tabela. Zestaw parametrów modulatora FM Częstotliwość nośna C 6kHz 8kHz khz Dewiacja częstotliwości 6kHz 4kHz 5kHz Sygnał wejściowy mv 4 mv 5 mv Zespół.5.Określ, korzystając ze schematu ideowego modulatora FM, wartość napięcia i częstotliwość na wyjściu modulatora przy braku ali nośnej po zastosowaniu wybranych elementów..6. Określ wrażliwość częstotliwości wytwarzanej przez modulator na zmiany warunków zewnętrznych jego pracy. Do analizy należy przyjąć jedynie termiczne zmiany pojemności oraz rezystancji..7. Określić czas pracy układu modulatora zasilanego z baterii o pojemności 7Ah i wartości napięcia V. Zakładamy, że układ zasilacza posiada stałą sprawność η = 8% i pracuje poprawnie do czasu gdy pojemność nie spadnie poniżej Ah. Strona 7 z

8 4 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA ĆWICZENIA 4. Obserwacja widma sygnałów zmodulowanych częstotliwościowo.. Skoniguruj generator GFG855, jako modulator FM (U FM = V, C = 4kHz), z zewnętrznym sygnałem modulującym, którego źródłem jest generator GFG5. Dobierz tak amplitudę sygnału modulującego, aby otrzymać dewiację na poziomie % C... Zaobserwuj widmo sygnału bez modulacji, następnie przy częstotliwości sygnału modulującego mod równej.hz sprawdź zakres odstrajania od C... Obserwuj zmiany widma przy zwiększaniu częstotliwości sygnału modulującego, zanotuj kształt widma dla: Hz, Hz, Hz, khz. Porównaj z widmem obliczonym teoretycznie..4. Przy pomiarach staraj się utrzymywać jak największą rozdzielczość FFT (np.: 5kS/s, 65Hz) 4. Wyznaczenie statycznej charakterystyki VCO Dokonaj pomiaru statycznej charakterystyki przestrajania generatora VCO. W tym celu podłącz bezpośrednio źródło napięcia stałego na wejście VCO (Napięcie sterujące VCO). Pamiętaj o tym, aby nie przekroczyć dopuszczalnego napięcia wejściowego układu CD446: 5V. Uwaga: Przekroczenie napięcia zasilającego układ CD446 może doprowadzić do jego uszkodzenia. Wyznacz zakres liniowej zależności VCO =(U VCO_ster ). Sprawdź, czy pokrywa się z on projektem zakresem dewiacji modulatora FM? Jeżeli nie, dokonaj korekty wartości rezystancji, zgodnie z uwagami, zawartymi w ostatnim akapicie punktu.. 4. Wyznaczenie statycznej charakterystyki przestrajania modulatora FM 4... Zmontuj układ pomiarowy do wyznaczenia statycznej i dynamicznej charakterystyki przestrajania modulatora FM. SGS Generator przebiegów sinosoidalnych SN U out V DW WE WY WE Wzm. sumujący Ku = x V/V Ku = V/V DW WE WY Wzm. buorujący Ku=V/V bisdpf NAP.STER WY Generator przestrajany napięciem Źródło napięcia stałego U out Oscyloskop CH CH Rys. 9. Schemat blokowy układu do wyznaczenia dynamicznej charakterystyki przestrajania modulatora FM. Strona 8 z

9 4... Dobierz tak wartość wzmocnienia Ku, aby pokryć cały zakres dewiacji modulatora FM, dla założonej dynamiki zmiennego sygnału wejściowego u mod (t) Ustal częstotliwość środkową generatora VCO, za pomocą napięcia stałego (SN), tak aby odpowiadała częstotliwości nośnej projektowanego modularna FM Wyznacz charakterystykę statyczną modulatora FM, w zakresie zmian sygnału modulującego, poprzez zmianę napięcia wkładki (SN). Sprawdź liniowość modulatora. 4.4 Wyznaczenie dynamicznej charakterystyki przestrajania modulatora FM Ustaw częstotliwość spoczynkową generatora VCO, za pomocą napięcia stałego, na częstotliwość nośną (powinien to być środek linowego obszaru przestrajania VCO) Wyznacz charakterystykę dynamiczną przestrajania, dewiację w unkcji amplitudy sygnału modulującego, dla jednej z częstotliwości 5Hz, 5Hz, Hz, 5Hz Sprawdzić wpływ zmiany częstotliwości sygnału modulującego mod na dewiację dynamiczną, przy stałej wartości amplitudy sygnału modulującego U mod ; częstotliwość modulującą należy zmieniać w granicach Hz do khz, przy U mod = const. Podczas pomiarów należy obserwować na ekranie oscyloskopu, napięcie wyjściowe i modulujące; zwrócić uwagę na zniekształcenia sygnału wyjściowego szkodliwą modulacją amplitudy Zaobserwuj działanie układu, gdy nośna ma kształt przebiegu sinusoidalnego, trójkątnego i prostokątnego. Wielkość dewiacji należy zmierzyć metodami oscyloskopowymi. Pierwsza z metod polega na bezpośrednim pomiarze okresu przebiegów o najmniejszej i największej częstotliwości. W tym celu do wejścia kanału Y oscyloskopu doprowadza się napięcie z wejścia badanego generatora FM otrzymując obraz jak. Widać, że: = max min = Tmin T lub = max t t..v.5v T max T min V t t.5v.v s us us us 4us 5us 6us 7us 8us 9us us V(F_KHZ) V(F_KHZ) V(FC_KHZ) Time Rys.. Wyznaczenie dewiacji częstotliwości metodą oscyloskopową. Strona 9 z

10 W przypadku drugiej metody do wejścia kanału Y oscyloskopu doprowadza się napięcie z wyjścia badanego generatora FM, a do kanału X napięcie sinusoidalne o częstotliwości ali nośnej C ; przy wyłączonej modulacji otrzymuje się elipsę o ustalonych parametrach; po włączeniu napięcia modulującego U m aza drgań doprowadzonych do kanału Y zmienia się w takt modulacji, w wyniku, czego na ekranie oscyloskopu powstaje rodzina elips, tworząc świetlną płaszczyznę (prędkość pulsowania elipsy zależy od częstotliwości modulującej mod ); zewnętrzna elipsa odpowiada maksymalnej dewiacji azy, przecina ona oś odciętych w dwóch punktach, co umożliwia wyznaczenie dewiacji częstotliwości zgodnie ze wzorem: b = arcsin C a 5 OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW 5.. Zaznacz na charakterystyce przestrajania liniowy zakres pracy. Wyznacz metodą regresji liniowej (metoda najmniejszych kwadratów) prostą aproksymującą zaznaczony ragment wykresu. 5.. Oblicz dewiację częstotliwości (statyczną oraz dynamiczną) i wskaźnik modulacji. β oraz wykreśl charakterystyki statyczną ( ) = U i dynamiczną ( ) VCO _ ster = U mod F 5.. Określ zakres przestrajania k max p =, współczynnik przestrajania k F (nachylenie min F prostej aproksymującej), względny błąd nieliniowości δ [%] = l, oraz błąd bezwzględny liniowości przebiegu liniowego. Fl F generatora, czyli maksymalne odchylenie od aproksymowanego LITERATURA. S. Kuta, G. Krajewski, J. Jasielski, Układy elektroniczne cz. II. Skrypt Warszawski. M. Niedźwiecki, M. Rasiukiewicz, Nieliniowe elektroniczne układy analogowe 4. A. Filipkowski, Układy elektroniczne analogowe i cyrowe. 5. S. Soclo, Zastosowania analogowych układów scalonych. 6. W.Hill, P.Horowitz, Sztuka elektroniki tom II Strona z