14 Modulatory FM CELE ĆWICZEŃ PODSTAWY TEORETYCZNE Podstawy modulacji częstotliwości Dioda pojemnościowa (waraktor)

Transkrypt

1 14 Modulatory FM CELE ĆWICZEŃ Poznanie zasady działania i charakterystyk diody waraktorowej. Zrozumienie zasady działania oscylatora sterowanego napięciem. Poznanie budowy modulatora częstotliwości z oscylatorem sterowanym napięciem. PODSTAWY TEORETYCZNE Podstawy modulacji częstotliwości Modulacja częstotliwości (FM) jest procesem, w którym częstotliwość sygnału nośnego zmienia się odpowiednio do zmian amplitudy sygnału modulującego (tj. sygnału niosącego informacje). Sygnał z modulacja FM opisuje poniższa zależność: xfm ( t) cos ( t) cos[2 f 2 f x( ) d ] (7-1) Gdy x( ) A m cos(2 f m ), równanie przybiera postać: f Am xfm ( t) cos[2 f sin(2 f mt)] cos[2 f sin(2 f mt)] (7-2) f m gdzie: θ(t) = częstotliwość chwilowa sygnału modulowanego fc = częstotliwość sygnału nośnego fm = częstotliwość modulująca β = współczynnik modulacji = Am(fΔ/fm) sygnału z modulacja FM xfm(t) może być wyrażona zależnością: f 1 d 1 d ( t) [2 f sin(2 f mt)] fc fm cos(2 f mt) (7-3) 2 dt 2 dt Na podstawie równania (7-3) możemy stwierdzić, że częstotliwość sygnału modulowanego częstotliwościowo zmienia się w określonym zakresie (dewiacja częstotliwości) wokół częstotliwości sygnału nośnego, w takt zmian amplitudy sygnału modulującego. Dioda pojemnościowa (waraktor) Dioda pojemnościowa zwana czasami dioda dostrojczą jest dioda, której pojemność jest proporcjonalna do wartości napięcia złącza półprzewodnikowego spolaryzowanego w kierunku zaporowym. Zwiększanie napięcia zaporowego diody zmniejsza jej pojemność ze względu na powiększanie się szerokości obszaru zubożonego złącza półprzewodnikowego. Zmniejszanie z kolei napięcia zaporowego złącza powoduje zmniejszanie szerokości warstwy zubożonej (warstwy zaporowej) i tym samym zwiększanie pojemności diody. Gdy na diodę podane zostanie napięcie zmienne, to jej pojemność zmienia się zgodnie ze zmianami amplitudy przyłożonego napięcia. Diodę pojemnościową (waraktor) można rozpatrywać w uproszczeniu jako szeregowe połączenie rezystora i kondensatora o zmiennej pojemności (trymera), jak na rysunku 7-2. Cj reprezentuje tutaj pojemność złącza półprzewodnikowego. Rs jest z kolei sumaryczna rezystancja diody wraz z wyprowadzeniami, która jest równa w przybliżeniu kilka omów, stanowiąc bardzo ważny parametr decydujący o jakości waraktora. Współczynnik przestrajania diody (TR) jest definiowany jako stosunek pojemności diody przy napięciu zaporowym o wartości 2 do pojemności diody przy napięciu zaporowym 1 i może być zapisany w postaci: C TR C 1 gdzie: TR = współczynnik przestrajania lub inaczej stosunek pojemność diody C 1 = pojemność diody przy napięciu zaporowym 1. C 2 = pojemność diody przy napięciu zaporowym 2. W ćwiczeniach wykorzystywana jest dioda waraktorowa typu 1S55 o poniższych parametrach: TR = 2,65 (dla napiec 3 ~ 30) C3 = 42pF (pojemność diody przy napięciu 3) 2 1

2 Modulator FM z układem MC1648 W naszych ćwiczeniach wykorzystywany jest modulator częstotliwości oparty na układzie oscylatora przestrajanego napięciem (CO) typu MC1648, którego schemat pokazano na rysunku 7-3 Zasadniczo, przedstawiony układ jest oscylatorem, którego częstotliwość oscylacji ustalana jest obwodem strojenia na wejściu układu. W obwodzie tym kondensatory blokujące C 2 i C 3 pełnią role filtrów zakłóceń. Przy dużych częstotliwościach (przykładowo 2,4MHz), reaktancja pojemnościową tych dwóch kondensatorów jest bardzo mała i w praktycznych zastosowaniach może być pominięta. Z powyższego powodu zmiennoprądowy układ zastępczy obwodu strojenia, przedstawiony na rysunku 7-4, jest zwykłym równoległym obwodem rezonansowym LC. Pojemność C reprezentuje w tym obwodzie równoległe polaczenie pojemności waraktora 1S55 (Cd) i pojemności wejściowej układu MC1648 (C in ). Pojemność C in wynosi w przybliżeniu 6pF. Pomijając pojemność rozproszenia, częstotliwość oscylacji można obliczyć z zależności: 1 1 f0 ( Hz) 12 2 LC 2 L( C 6*10 ) d Jak wspomniano wyżej, pojemność C d diody waraktorowej D1 zmienia się odpowiednio do wartości napięcia go diodę w kierunku zaporowym. Na podstawie zależności (7-6) widzimy, że zmiany pojemności Cd powodują zmiany częstotliwości oscylacji. W obwodzie z rysunku 7-3 małe napięcie skutkuje dużą wartością pojemności i mała częstotliwością wyjściową. Z drugiej strony, zwiększenie napięcia polaryzacji powoduje zmniejszenie pojemności diody i zwiększenie częstotliwości wyjściowej. Jeżeli napięcie polaryzacji będzie stałe, a na wejście układu podany zostanie sygnał akustyczny, to na wyjściu oscylatora CO uzyskamy sygnał modulowany częstotliwościowo. 2

3 Modulator FM z układem LC566 Na rysunku 7-5 pokazano schemat modulatora częstotliwości opartego na scalonym oscylatorze CO typu LM566. Jeżeli wyłącznik SW1 jest otwarty, układ pracuje jak typowy oscylator sterowany napięciem, którego częstotliwość jest determinowana rezystancja R1 i pojemnością C3 oraz napięciem na wejściu sygnału audio. Jeżeli C3 i R1 mają wartość stałą, to częstotliwość wyjściowa układu jest wprost proporcjonalna do różnicy napięcia miedzy końcówkami 5 i 8 układu (8-5). Innymi słowy, zwiększenie napięcia sygnału audio (5) powoduje zmniejszenie różnicy napięcia 8-5 i tym samym zmniejszenie częstotliwości wyjściowej, natomiast zmniejszenie napięcia 5 skutkuje zwiększeniem częstotliwości oscylacji. Jak wspomniano wyżej wartość C3 i R1 determinują częstotliwość wyjściową, która jest odwrotnie proporcjonalna do iloczynu rezystancji R1 i pojemności C3. Im większa wartość tego iloczynu, tym mniejsza częstotliwość wyjściowa oscylatora. Jeżeli wyłącznik SW1 jest zwarty, dzielnik napięcia złożony z rezystorów R2 i R1 ustala składowa stała napięcia na wejściu sygnału audio (końcówka 5). Regulując potencjometrem R1 możemy łatwo stroić częstotliwość środkową fo modulatora. Po podaniu na wejście audio sygnału małej częstotliwości, na wyjściu układu generowany będzie sygnał o częstotliwości zmieniającej się wokół częstotliwości fo odpowiednio do zmian amplitudy sygnału akustycznego. Tym samym na wyjściu układu otrzymujemy sygnał modulowany częstotliwościowo. 3

4 Zespół Szkół Mechanicznych w Namysłowie Eksploatacja urządzeń elektronicznych Temat ćwiczenia: Modulatory FM Imię i nazwisko Nr ćw 14 Data wykonania Klasa 2TEZ Grupa Zespół OCENY Samoocena Wykonanie Ogólna CEL ĆWICZENIA: WYMAGANE WYPOSAŻENIE 1. Moduł KL-92001, moduł KL-93004, oscyloskop, analizator widmowy, Odpowiedz na pytania 1. Jeżeli indukcyjność w obwodzie rezonansowym z rysunku 7-3 wynosi 80nH, a chcemy uzyskać częstotliwość rezonansowa 100MHz, to jaka pojemność powinna mieć dioda waraktorowa? 2. Oceń na podstawie analizy krzywej z rysunku 7-6, która cześć charakterystyki jest odpowiednia do pracy układu jako modulatora częstotliwości. 3. Jaka funkcje pełnia rezystory R1 i R2 na schemacie modulatora z rysunku 7-5, gdy styk SW1 jest zwarty? Ćwiczenie 7-1 Pomiary charakterystyk układu MC W module KL zlokalizować modulator FM z układem MC1648. Wpiąć zwieracz do punktu J2, aby włączyć w obwód cewkę L 1 (100µH). 2. Do wejścia napięcia polaryzacji (I/P2) podłączyć napięcie stałe 3 i na oscyloskopie obserwować sygnał wyjściowy układu. Regulować potencjometrem R1 do uzyskania na wyjściu sygnału sinusoidalnego. sygnału wpisać do tabeli Powtórzyć punkt 2. dla innych napiec polaryzujących zgodnie z tabela Korzystając z wyników zanotowanych w tabeli 7-1, na rysunku 7-6 wykreślić krzywą zależności częstotliwości wyjściowej od napięcia. wyjściowa (MHz) Tabela Wyjściowa MHz Rys 7-6 Wykres z tabeli

5 Ćwiczenie 7-2 Modulator FM z układem MC Zewrzeć punkty J1 i J2, aby ustawić napięcie zaporowe waraktora 1S55 na 5 i w obwód włączyć cewkę L1 = 100µH. W takich warunkach częstotliwość wyjściowa układu jest częstotliwością środkową modulacji fo. 2. Do wejścia audio modulatora (I/P1) podłączyć sygnał sinusoidalny o amplitudzie 2p-p i częstotliwości 3kHz. Na oscyloskopie obserwować sygnał wyjściowy. Regulować potencjometrem R1 do uzyskania na wyjściu sygnału sinusoidalnego. 3. Na ekranie analizatora zaobserwować widmo sygnału wyjściowego. Wynik zanotować w tabeli Powtórzyć punkt 3 dla częstotliwości sygnału audio równych 5kHz i 8kHz. Uwaga: Ponieważ różnica częstotliwości miedzy sygnałem nośnym i modulującym jest zbyt duża, aby można było zaobserwować na ekranie oscyloskopu (w dziedzinie czasu) dewiacje częstotliwości sygnału FM, zalecamy do tego celu wykorzystanie analizatora widma. Tabela 7-2 m 2 sygnału Przebieg wejściowy Przebieg wyjściowy detektora akustycznego 3kHz 5kHz 8kHz Ćwiczenie 7-3 Pomiary charakterystyk układu LM W module KL zlokalizować modulator FM z układem LM566. Wpiąć zwieracz do punktu J2, aby włączyć w obwód kondensator C3 (0,1µF). 2. Do wejścia napięcia polaryzacji (końcówka 5) podłączyć napięcie stałe 3,6 i na oscyloskopie obserwować sygnał wyjściowy układu. Regulować potencjometrem R1 do uzyskania na wyjściu sygnału o częstotliwości 2kHz, która będzie częstotliwością środkową fo modulatora. 3. Zmieniać napięcie na końcówce 5 na wartość kolejno: 2,7, 3,0, 3,3, 3,9, 4,2 i 4,5. Obserwować przebiegi wyjściowe układu dla każdego napięcia i zanotować ich częstotliwości w tabeli Korzystając z wyników zanotowanych w tabeli 7-3, na rysunku 7-7 wykreślić krzywą zależności częstotliwości wyjściowej od napięcia. 5. Wyjąć zwieracz z punktu J2 i wpiąć go do punktu J3, aby zmienić kondensator C3 (0,1µF) na C4 (0,01µF). 6. Do wejścia napięcia polaryzacji (końcówka 5) podłączyć napięcie stałe 3,6 i regulować potencjometrem R1 do uzyskania na wyjściu sygnału o częstotliwości 20kHz, która będzie częstotliwością środkową fo modulatora. 7. Zmieniać napięcie na wartość kolejno: 2,7, 3,0, 3,3, 3,9, 4,2 i 4,5. Obserwować przebiegi wyjściowe układu dla każdego napięcia i zanotować ich częstotliwości w tabeli Korzystając z wyników zanotowanych w tabeli 7-4, na rysunku 7-8 wykreślić krzywą zależności częstotliwości wyjściowej od napięcia. 5

6 Tabela 7-3 wyjściowa (khz) (C3 = 0,1µF, fo = 2kHz) 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,2 4,5 Rys 7-7 Wykres z tabeli 7-3 Wyjściowa khz Tabela 7-4 wyjściowa (khz) 2,7 3,0 3,3 3,9 4,2 4,5 (C3 = 0,01µF, fo = 20kHz) 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,2 4,5 Rys 7-8 Wykres z tabeli 7-4 Wyjściowa khz 6 2,7 3,0 3,3 3,9 4,2 4,5 Ćwiczenie 7-4 Modulator FM z układem LM W module KL zlokalizować modulator FM z układem LM566. Wpiąć zwieracz do punktów J1 i J3, aby włączyć w obwód kondensator C4 (0,01µF). Regulować potencjometrem R1 do uzyskania na wyjściu sygnału o częstotliwości 20kHz. 2. Do wejścia audio modulatora (I/P1) podłączyć sygnał sinusoidalny o amplitudzie 500mp-p i częstotliwości 1kHz. Na oscyloskopie obserwować sygnał wyjściowy (O/P) i wyniki zanotować w tabeli Zmienić częstotliwość sygnału audio kolejno na 3kHz i 5kHz. Zaobserwować przebiegi wyjściowe odpowiadające różnym sygnałom wejściowym. Wynik zanotować w tabeli Zmienić sygnał wejściowy na sygnał o amplitudzie 1p-p i częstotliwości 1kHz. Na oscyloskopie

7 obserwować sygnał wyjściowy (O/P) i wyniki zanotować w tabeli Zmienić częstotliwość sygnału audio kolejno na 3kHz i 5kHz. Zaobserwować przebiegi wyjściowe odpowiadające różnym sygnałom wejściowym. Wynik zanotować w tabeli 7-6. Tabela 7-5 (m = 500mp-p, C3 = 0,01µF, fo = 20kHz) sygnału akustycznego Przebieg wejściowy Przebieg wyjściowy detektora 1kHz 3kHz 5kHz sygnału akustycznego Tabela 7-6 Przebieg wejściowy (m = 1p-p, C3 = 0,01µF, fo = 20kHz) Przebieg wyjściowy detektora 1kHz 3kHz 5kHz WNIOSKI I SPOSTRZEŻENIA 7