«УСТРОЙСТВА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ Рекомендовано Сибирским региональным отделением УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области радиотехники, электроники, ...»

Задание 5. Исследование влияния уровня шума на полосы захвата и удержания в системе ФАПЧ Порядок выполнения 1. Измерения уровня сигнала и уровня шума производятся разными вольтметрами, работающими параллельно (для измерения шума используется квадратичный вольтметр). В зависимости от вида измеряемого сигнала кнопкой «Вкл» включается соответствующий генератор (ГВЧ или ГШ). При совместном включении генераторов измеряется суммарный сигнал U.

2. Включить генератор высокой частоты ГВЧ.

Измерить уровень сигнала Uс на резонансной частоте сумматора.

3. Включить фильтр низкой частоты ФНЧ, интегрирующий конденсатор С1 и подключить усилитель К1.

Провести измерения полосы захвата FЗ и удержания FУ при уровнях шума в диапазоне Uш = 0–1 В со средним шагом 0,2 В.

Измерения уровня шума Uш проводить при отключенном сигнале.

Измерения полос захвата и удержания проводить при одновременно включенных генераторах сигнала и шума по методике задания 3.

Результаты измерений занести в таблицу.

4. Включить пропорционально-интегрирующий фильтр ПИФ, интегрирующую цепочку R1С1 и подключить усилитель К1.

Провести измерения полосы захвата FЗ и удержания FУ при различных уровнях шума в диапазоне Uш = 0–2 В в соответствии с методикой задания 3.

1. Составить описание конкретной модели ФАПЧ с возможностью изменения типа и параметров ФНЧ в петле регулирования в терминах и обозначениях, принятых в пакете OrCAD [6].

2. Задать исходные данные (амплитуда и частота входного сигнала, параметры генератора шума и их возможные диапазоны изменений).

3. Задать требуемые выходные характеристики (амплитудно-частотные характеристики, полосы захвата и удержания и т. д.).

4. Выполнить задания (запуск программы, получение, проверка и корректировка результатов, копирование результатов в отчет по лабораторной работе).

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

1. Наименование и цель работы.

2. Функиональную схему исследуемой системы ФАПЧ.

3. График зависимости U = F(fc).

4. Таблицы с результатами измерений и экспериментальные зависимости (fc – fГ) = F(fc – fГ0) для задания 4.

5. Результаты измерений и расчетов полосы захвата FЗ и полосы удержания FУ для заданий 3 и 4.

6. Таблицы измерений и расчетов полосы захвата FЗ и полосы удержания FУ при различных уровнях шума для задания 5.

7. Анализ полученных результатов.

• Объяснить зависимость изменения FУ от коэффициента усиления К в петле обратной связи ФАПЧ.

• Объяснить зависимость FЗ от величины емкости конденсатора интегрирующего фильтра «ФНЧ» при постоянном значении коэффициента усиления К.

• Провести сравнение экспериментальных значений отношения FЗ/FУ для интегрирующего и пропорционально-интегрирующего фильтра при K = const.

• Проанализировать влияние уровня аддитивного шума на полосы захвата и удержания для интегрирующего и пропорционально-интегрирующего фильтров.

Анализ полученных результатов моделирования процесса ФАПЧ (сравнение с данными экспериментального исследования аналогичных ФАПЧ, сравнение полученных характеристик между собой с формулированием вывода о достоинствах и недостатках каждой схемы ФНЧ, применяемой в петле регулирования и т. д.).

1. Какие функции выполняют системы ФАПЧ и каковы их основные параметры?

2. Каковы принципы работы и схемы систем ФАПЧ? Какими способами можно изменять частоту управляемого генератора?

3. Как определяется полоса захвата и полоса удерживания системы ФАПЧ?

4. Какие типы фильтров используются в цепи регулирования? Из каких соображений выбираются параметры фильтров?

5. Что понимают под временем захвата системы ФАПЧ и от чего оно зависит?

6. Какое влияние оказывает аддитивный входной шум на работу системы ФАПЧ?

7. Какова методика измерения полосы захвата и полосы удержания системы ФАПЧ при отсутствии внешних шумов и их наличии?

8. Каковы принципы моделирования процесса фазовой автоподстройки частоты? В чем преимущества и недостатки моделирования?

8. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ

Системой автоматической регулировки усиления (АРУ) называется система автоматического регулирования, обеспечивающая устранение перегрузок в каскадах устройств приема и обработки сигналов и поддерживающая заданное постоянство выходного напряжения в условиях изменения амплитуды входных сигналов.

Уровень сигнала на входе усилительно-преобразовательного тракта устройств приема и обработки сигналов (УПиОС) обычно изменяется в широких пределах. Желательно, чтобы напряжение на выходе этого тракта изменялось незначительно и обеспечивало оптимальный режим работы демодулятора или обнаружителя сигналов. Эта задача может быть решена при использовании системы автоматической регулировки усиления, следящей за изменением амплитуды сигнала на входе.

По характеру выполняемых задач системы автоматической регулировки усиления (АРУ) делятся на три группы:

• инерционные, следящие за изменением среднего уровня входного сигнала, применяемые обычно в радиовещательных приемниках;

• безынерционные, следящие за изменением мгновенного значения амплитуды входного сигнала (МАРУ), применяемые, например, в радиолокационных устройствах;

• программные, с заранее заданным временным законом регулировки (ВАРУ), используемые при приеме сигналов с известным, периодически повторяющимся распределением во времени.

Системы АРУ могут быть построены по принципу прямого, обратного и комбинированного регулирования при аналоговой и цифровой реализациях.

В системах прямого регулирования цепь АРУ включается параллельно тракту усилителя промежуточной частоты (УПЧ). В ней вырабатывается напряжение, пропорциональное среднему уровню входного сигнала, используемое для регулировки коэффициента усиления УПЧ. При больших изменениях уровня входного сигнала из-за нелинейности вольт-амперных характеристик электронных компонентов тракта АРУ возникают погрешности регулирования.

Погрешности регулирования, связанные с нелинейностью вольтамперных характеристик компонентов в цепи автоматической регулировки усиления, существенно меньше в схеме АРУ обратного регулирования. В ней управляющее напряжение формируется на выходе УПЧ и по петле обратной связи изменяет усиление каскадов УПЧ.

В ряде случаев для обеспечения устойчивой работы системы с обратной связью применяют АРУ с комбинированным управлением, в которой тракт УПЧ разделен на два блока: с петлей обратного регулирования усиления и с петлей прямого регулирования.

Наибольшее применение нашли системы АРУ с обратным регулированием (рис. 8.1).

Основными характеристиками системы АРУ являются:

Коэффициент регулирования (), равный отношению динамического диапазона изменений уровня входного сигнала к допустимому динамическому диапазону изменений уровня выходного сигнала:

где = (Uc)max / (Uc)min, = (Uвых)max / (Uвых)min, (Uc)max и (Uc)min – значения максимальной и минимальной амплитуды входного сигнала усилителя, (Uвых)max и (Uвых)min – значения максимальной и минимальной амплитуды выходного сигнала усилителя.

Значение часто задается в децибелах:

= 20lg[(Uc)max/(Uc)min] – 20lg[(Uвых)max /(Uвых)min] (дБ). (8.2) Время установления (tу) – интервал времени от момента включения входного сигнала при Uc = (Uc)max до момента времени, когда амплитуда выходного напряжения достигает величины, отличающейся от установившегося значения не более чем на 10 %.

Регулировочная характеристика – зависимость коэффициента усиления регулируемого усилителя по напряжению от величины регулирующего напряжения Up или тока Ip.

Амплитудная характеристика – зависимость уровня выходного напряжения регулируемого усилителя от уровня входного сигнала Uc.

Коэффициент нелинейных искажений определяет отклонение модулирующей функции полезного сигнала от истинного значения.

8.3. Типы систем АРУ с обратным регулированием Рассмотрим три типа систем АРУ с обратным регулированием: простую АРУ, АРУ с задержкой и АРУ с задержкой и усилением.

В простой АРУ (рис. 8.2, а) напряжение uвых(t) через петлю обратной связи, включающую в себя амплитудный детектор АД и фильтр низкой частоты ФНЧ первого порядка (Rф Сф), в котором выделяется постоянная составляющая выходного напряжения Up Uвых, поступает на управляющий вход регулируемого усилителя, смещая рабочую точку и изменяя крутизну входного каскада и соответственно его коэффициент усиления. При росте уровня входного сигнала, а следовательно, и уровня выходного сигнала, растет величина регулирующего напряжения Up, уменьшающая крутизну S входного каскада и соответственно коэффициент усиления по напряжению.

Поэтому уровень выходного сигнала увеличивается не пропорционально входному, а значительно меньше. Чем больше уровень входного сигнала, тем меньше усиление.

Постоянная времени ФНЧ выбирается из условия 1/ Fmin (Uc)min, в петлю обратной связи системы АРУ вводят дополнительное запирающее напряжение. В этом случае напряжение регулирования Up появляется только после того, как напряжение выходного сигнала превысит пороговое напряжение Uп.

В системе АРУ с задержкой (рис. 8.2, б) регулирующее напряжение Up снимается с нагрузки диодного детектора VD1. Порог срабатывания АРУ реализуется с помощью диодного ключа VD2. На этот диод подается отпирающее напряжение, равное пороговому напряжению Uп, и Up = 0 до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала, подводимого к детектору VD1, не превысит пороговый уровень Uвых > Uп. При дальнейшем увеличении уровня выходного сигнала диод VD2 запирается и напряжение Up, подводимое к регулируемому усилителю через фильтр RфСф, будет равно разности напряжений на резисторе R.

В системе АРУ с задержкой и усилением напряжение, снимаемое с нагрузки диодного детектора VD1, через ФНЧ (RфСф) поступает на вход усилителя (У), режим работы которого выбран таким образом, чтобы обеспечить запирающее напряжение на его входе при отсутствии входного сигнала. При Uвых > Uп напряжение на выходе ФНЧ превышает номинальное запирающее напряжение и усиленное напряжение Uр подводится к каскадам регулируемого усилителя.

8.4. Основные характеристики систем автоматической регулировки Амплитудные характеристики АРУ или зависимости уровня выходного напряжения УПЧ от величины сигнала на его входе Uвых = f (Uc) приведены на рис. 8.3.

В регулируемом усилителе без АРУ имеется линейная зависимость между Uвых и Uc. Однако при больших значениях Uc линейная зависимость нарушается и наблюдается перегрузка усилителя, которая приводит к появлению искажений сигнала.

Рис. 8.3. Амплитудная характеристика системы АРУ В простой АРУ при увеличении Uс коэффициент усиления УПЧ начинает уменьшаться и перегрузка усилителя не возникает.

В системе АРУ с задержкой степень нелинейности амплитудной характеристики понижается, причем снижение коэффициента усиления регулируемого усилителя (наклон амплитудной характеристики) в диапазоне [(Uс)п, (Uc)max] будет определяться коэффициентом усиления в петле обратной связи.

При Uс > (Uc)max стабилизирующее действие АРУ ослабляется из-за перегрузки в цепи самой АРУ.

Регулировочная характеристика определяет зависимость коэффициента усиления регулируемого усилителя от величины управляющего напряжения ku = f (Up). Примерный вид этой характеристики в логарифмическом масштабе (ku(дБ) = 20lgku) изображен на рис. 8.4. Коэффициент усиления регулируемого усилителя максимален (ku = (ku)max) при Up = 0. По регулировочной характеристике можно определить величину (Up)max, при которой ku = (ku)min.

Отношение (ku)max /(ku)min = называется коэффициентом регулирования Рис. 8.4. Регулировочная характеристика системы АРУ Значение Up, в свою очередь, определяется уровнем сигнала на выходе регулируемого усилителя. Зависимости уровня регулирующего напряжения от величины Uвых для двух типов АРУ приведены на рис. 8.5. В системе АРУ с задержкой регулирующее напряжение появляется при Uвых > Uп. При больших значениях Uвых из-за перегрузки АРУ зависимости Up = f(Uвых) существенно искажаются.

Считая зависимость Up = f (Uвых) близкой к линейной при значениях Uвых < (Uвых)max, можно записать выражение для коэффициента усиления в петле АРУ:

(ku)АРУ = (Up)max /[(Uвых)max – (Uвых)min] = (Up)max /[(Uвых)min·( – 1)]. (8.4) Из уравнения (8.4) следует, что невозможно получить «идеальную»

АРУ, для которой = (Uвых)max/(Uвых)min = 1. Реальная АРУ приближается к «идеальной» при больших значениях коэффициента усиления (ku)АРУ в петле обратной связи АРУ.

8.5. Анализ работы системы АРУ в динамическом режиме В динамическом режиме, когда амплитуда входного сигнала изменяется скачкообразно, изменение коэффициента усиления регулируемого усилителя с помощью системы АРУ происходит с некоторой задержкой во времени, обусловленной наличием в АРУ инерционных звеньев. Полагая, что инерционным звеном является ФНЧ (например, RC-фильтр первого порядка) в петле обратной связи, можно записать дифференциальное уравнение, связывающее амплитуду напряжения на выходе регулируемого усилителя Uвых и напряжение на выходе фильтра:

где Sp – крутизна регулировочной характеристики в рабочей точке.

Решение уравнения имеет вид где = (ku)ару Sp Uc, ару = Rф Сф / (1+), а Uc определено для момента времени t = 0.

Величина ару определяет скорость протекания процесса установления амплитуды выходного напряжения. Из (8.6) следует, что процесс установления выходного напряжения протекает тем быстрее, чем больше величина.

Установившееся значение Uвых можно найти из (8.6) при значении t, стремящемся к бесконечности:

При использовании в качестве инерционного звена АРУ ФНЧ более высокого порядка напряжение uвых(t) может иметь колебательный характер.

8.6. Лабораторная работа «Автоматическая регулировка усиления»

Цель лабораторной работы – экспериментальное исследование и моделирование процесса автоматической регулировки усиления в УПЧ:

• определение амплитудных характеристик различных систем АРУ с обратным регулированием (простой АРУ и АРУ с задержкой и усилением);

• определение регулировочных характеристик при различных коэффициентах усиления в петле обратной связи;

• определение коэффициентов регулирования при различных коэффициентах усиления в петле обратной связи;

• определение переходных характеристик системы АРУ в динамическом режиме.

Лабораторная установка предназначена для экспериментальных исследований процесса автоматической регулировки усиления в УПЧ при использовании АРУ с обратным регулированием. На установке измеряются:

• амплитудные характеристики различных систем АРУ: простой АРУ и АРУ с задержкой и усилением;

• регулировочные характеристики для различных коэффициентов усиления в петле обратной связи;

• формы регулирующего напряжения при наличии скачка амплитуды входного сигнала для различных порядков фильтра нижних частот в петле обратной связи.

Установка может использоваться в автономном режиме и режиме подключения внешних измерительных приборов.

Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис. 8.6.

На левом верхнем поле изображена структурная схема установки. На нижнем поле расположена панель ручного управления с переключателями режимов работы, на правом поле измерения и индикации – цифробуквенный дисплей с отображением пунктов работы и результатов измерений исследуемых параметров системы АРУ.

Установка включает в себя формирователь входного сигнала и УПЧ с АРУ обратного регулирования.

Формирователь входного сигнала состоит:

• из генератора высокой частоты – «ГВЧ», формирующего сигнал несущей с фиксированной частотой fc 520 кГц и регулируемым в пределах 3– 300 мВ эффективным значением напряжения Uc;

• импульсного генератора – «G», вырабатывающего модулирующий, прямоугольной формы, сигнал Uм с частотой 40 Гц;

• амплитудного модулятора.

Усилительный каскад УПЧ выполнен на основе дифференциальной пары транзисторов. Управление коэффициентом усиления происходит путем изменения крутизны одного из транзисторов. Цепь АРУ подключена к резонансной нагрузке УПЧ. Выходное напряжение УПЧ детектируется на амплитудном детекторе. Величина порогового напряжения задается величиной смещения (U0 = 0, U1, U2) на вход усилителя – «К». К выходу усилителя подключены низкочастотные фильтры: ФНЧ1 – RC-фильтр первого порядка и ФНЧ2 – RC-фильтр 2-го порядка. Коэффициент усиления петли обратной связи (ku)АРУ изменяется с помощью подключения соответствующего усилителя «К1», «К2», «К3» к входу управления УПЧ.

На задней стенке установки имеются контрольные выходы: «Вых 1» – напряжение на входе УПЧ, «Вых 2» – напряжение на выходе УПЧ, «Вых 3» – напряжение Uр.

Панель ручного управления состоит из трех полей.

Поле «G» – генератора прямоугольных импульсов.

«ВКЛ» – кнопка включения генератора прямоугольных импульсов.

Поле «ГВЧ» – генератора высокочастотного сигнала.

«УРОВЕНЬ» – кнопка переключения уровня сигнала.

«АМПЛИТУДА» – потенциометр регулировки амплитуды сигнала.

«ВКЛ» – кнопка подключения напряжения Uр к входу управления УПЧ;

«ПОРОГ» – кнопка переключения напряжения порога АРУ;

«ФНЧ» – кнопка переключения фильтров низкой частоты;

«УСИЛЕНИЕ» – кнопка переключения усилителей К1, К2, К3.

На цифробуквенном дисплее отображаются измеряемые величины и номер пункта работы. Под дисплеем расположены следующие кнопки:

«» – кнопка перелистывания страниц с пунктами работы к концу;

«Т» – кнопка сброса контроллера управления.

Программа и порядок выполнения работы Ознакомившись с описанием лабораторной установки и составив план проведения эксперимента, включить питание и саму установку нажатием кнопки «Вкл».

Все переключения производятся с помощью кнопок на передней панели установки, включенное состояние кнопки индицируется светодиодом. Измерения выполняются встроенными приборами под управлением микроконтроллера, а результаты измерений выводятся на цифровой дисплей, расположенный на лицевой панели. Выбор измеряемых величин и подключение их к индикатору производятся кнопками выбора пункта лабораторной работы («»), расположенными вместе с кнопкой «сброс» («T») под цифробуквенным дисплеем.

Для выполнения лабораторной работы предлагаются следующие задания.

Задание 1. Измерение амплитудной характеристики УПЧ при разомкнутой петле АРУ Цель: получить зависимость эффективного значения амплитуды выходного напряжения усилителя промежуточной частоты УПЧ от эффективного значения амплитуды входного сигнала без модуляции.

Порядок выполнения 1. Отключить АРУ.

2. Отключить модуляцию (генератор «G» выключен).

3. Изменяя с помощью потенциометра «УРОВЕНЬ» эффективное значение входного сигнала Uc в диапазоне 3–300 мВ, измерить эффективное значение Uвых выходного напряжения УПЧ.

4. Результаты измерений занести в таблицу.

Задание 2. Измерение амплитудной характеристики простой АРУ при различных коэффициентах усиления в петле обратной связи Цель: получить зависимость эффективного значения амплитуды выходного напряжения УПЧ от эффективного значения амплитуды входного сигнала без модуляции.

Порядок выполнения 1. Отключить модуляцию (генератор «G» выключен).

2. Включить ФНЧ1.

3. Установить порог Uп = U0 = 0.

4. Для трех значений коэффициента усиления (ku)АРУ = К1, К2, К3, изменяя с помощью потенциометра «уровень» эффективное значение входного сигнала Uc в диапазоне 3–300 мВ, измерить уровень выходного Uвых напряжения УПЧ.

5. Результаты измерений занести в таблицу.

Задание 3. Измерение амплитудной характеристики АРУ с задержкой при различных коэффициентах усиления в петле обратной связи Цель: получить зависимость эффективного значения амплитуды выходного напряжения УПЧ от эффективного значения амплитуды входного сигнала без модуляции.

Порядок выполнения 1. Отключить модуляцию (генератор «G» выключен).

2. Включить ФНЧ1.

3. Установить величину порогового напряжения Uп = U1.

4. Провести измерения в соответствии с методикой задания 2 для трех значений (ku)АРУ = К1, К2, К3.

5. Установить величину порогового напряжения Uп = U2.

6. Провести измерения в соответствии с методикой задания 2 для трех значений (ku)АРУ = К1, К2, К3.

Задание 4. Исследование переходной характеристики простой АРУ для фильтров низкой частоты различных порядков (при наличии внешнего осциллографа) Порядок выполнения 1. Отключить модуляцию (генератор «G» выключен).

2. С помощью потенциометра «уровень ГВЧ» установить величину эффективного значения входного сигнала, равную 50 мВ.

3. Включить модуляцию (генератор «G» включен).

4. Установить порог Uп = U0 = 0.

5. Для фильтра низкой частоты ФНЧ 1-го порядка и трех значений коэффициента усиления (ku)АРУ: К1, К2 и К3 зарисовать осциллограммы регулирующего напряжения Up.

Для фильтра низкой частоты ФНЧ 2-го порядка и трех значений коэффициента усиления (ku)АРУ: К1, К2 и К3 зарисовать осциллограммы регулирующего напряжения Up.

1. Составить описание конкретной модели АРУ с возможностью изменения коэффициента усиления и параметров ФНЧ в петле регулирования в терминах и обозначениях, принятых в пакете OrCAD [6].

2. Задать исходные данные (амплитуда и частота входного сигнала, значение порогового напряжения и их возможные диапазоны изменений).

3. Задать требуемые выходные характеристики (амплитудной характеристики, переходной характеристики и т. д.).

4. Выполнить задания (запуск программы, получение, проверка и корректировка результатов, копирование результатов в отчет по лабораторной работе).

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

1. Наименование и цель работы.

2. Структурную схему исследуемой системы АРУ.

3. Таблицы с результатами измерений амплитудных характеристик АРУ и графики Uвых= f (Uc):

• при отключенной петле обратной связи (задание 1);

• для простой АРУ при различных коэффициентах усиления (ku)ару (задание 2);

• для АРУ с задержкой при различных коэффициентах усиления (ku)ару и различных значениях порога (задание 4).

4. Результаты расчетов коэффициентов регулирования для простой АРУ при различных коэффициентах усиления (ku)ару.

5. Осциллограммы переходных процессов в петле обратной связи при различных порядках ФНЧ и коэффициентах усиления (ku)ару.

6. Анализ полученных результатов:

• Объяснить различие в поведении амплитудных характеристик простой АРУ и АРУ с задержкой.

• Объяснить зависимость амплитудных характеристик от коэффициента усиления в петле обратной связи. Сравнить максимальные и минимальные значения Uвых для различных (ku)ару.

• Объяснить характер переходных процессов в петле обратной связи системы АРУ.

Анализ полученных результатов моделирования процесса АРУ УПЧ (сравнение с данными экспериментального исследования аналогичных АРУ, сравнение полученных характеристик между собой с формулированием вывода о достоинствах и недостатках каждой схемы АРУ, зависимость от параметров усиления и ФНЧ, применяемых в петле регулирования и т. д.).

1. Какие функции выполняют системы АРУ и по каким признакам они классифицируются? Какие основные параметры систем АРУ?

2. Каковы принципы работы и схемы систем АРУ? Каковы способы изменения коэффициента передачи управляемых каскадов и в чем их достоинства и недостатки?

3. Как определяется время установления переходных процессов в системе АРУ? Из каких соображений выбирается постоянная времени фильтра в цепи регулирования?

4. Какие искажения сигналов обусловлены работой системы АРУ и что следует предпринять для их уменьшения?

5. Что происходит при совместном действии сигнала и шума на систему АРУ?

6. Какова методика измерения амплитудной характеристики усилителя с системой АРУ?

7. Какова методика исследования переходных процессов системы АРУ?

8. Каковы принципы моделирования процесса автоматического регулирования усиления? В чем преимущества и недостатки моделирования?

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА

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

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 или пять академических часов.

3. Специализированные стенды представляют собой развернутые схемы отдельных функциональных узлов супергетеродинного приемника средневолнового диапазона.

Стенды включают следующие основные узлы: входную цепь, преобразователь частоты, частотный детектор, амплитудный детектор, систему фазовой автоподстройки частоты, систему автоматической регулировки усиления.

4. Лабораторные работы, выполняемые на персональном компьютере, включают в себя моделирование работы узлов средневолнового приемника с использованием демонстрационной системы автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств OrCAD.

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

6. По результатам выполнения работы подгруппа оформляет отчет и защищает его. В отчете должно быть обязательно приведено: цель работы;

расчет контрольного задания каждым студентом; принципиальная схема измерительной установки; результаты натурных экспериментов и моделирования на ПК; выводы.

7. Выводы по лабораторной работе являются обязательной частью отчета. Их приводят для каждого пункта выполненной работы и они должны включать: анализ полученных результатов; сравнение полученных и ожидаемых результатов, а также объяснение возможных расхождений между ними.

Отчет, не содержащий выводов, считается неполным и не может представляться к защите.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ ORCAD. ПРИМЕРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ УЗЛОВ УПИОС

Фирма OrCAD (основана в 1985 г.) в начале 1997 г. выпустила систему нового поколения OrCAD 7.0 для Windows. Моделирование аналоговой или смешанной аналого-цифровой части проекта проводится с помощью программы PSpice, передавая описание проекта в текстовом виде, или с помощью пакета ICAP фирмы Intusoft, интегрируемого с графическим схемным редактором OrCAD Capture.

В начале 1998 г. фирмы MicroSim и OrCAD объединились, причем новая фирма получила название OrCAD. В результате под маркой OrCAD начали распространяться программы моделирования и оптимизации аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, разработанные прежде фирмой MicroSim и не имеющие пока интерфейса с редактором схем OrCAD Capture.

В ноябре 1998 г. выпущена новая система OrCAD 9.0, объединившая все перечисленные выше модули под управлением одной интегрированной оболочки.

В марте 2000 г. отделение Cadence PCB System Division фирмы Cadence Design Systems, в которое преобразована компания OrCAD, выпустило очередную версию OrCAD 9.2. В нее включили второй редактор принципиальных cxeм PSpice Schematics, заимствованный из популярного пакета DesignLab (он удобнее OrCAD Capture).

Представление о версии OrCAD 9.2 дает перечень входящих в ее состав программных модулей:

OrCAD Capture – графический редактор схем;

OrCAD Capture CIS (Component Information System) – графический редактор схем, дополненный средством ведения баз данных компонентов; при этом зарегистрированные пользователи получают через Интернет (с помощью службы Internet Component Assistant) доступ к каталогу компонентов, содержащему более 200 тыс. наименований;

PSpice Schematics – графический редактор схем, заимствованный из пакета DesignLab;

OrCAD PSpice A/D – программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются как из PSpice Schematics, так и из OrCAD Capture;

OrCAD PSpice Optimizer – программа параметрической оптимизации;

QrCAD Layout – графический редактор печатных плат;

OrCAD Layout Plus – программа OrCAD Layout, дополненная бессеточным автотрассировщиком SmartRoute, использующим методы оптимизации нейронных сетей (используется также в системах Protel 99 SE и P-CAD 2000);

Layout Engineer's Edition – программа просмотра печатных плат, созданных с помощью Layout или Layout Plus, средство общей расстановки компонентов на плате и прокладки наиболее критических цепей, выполняемых инженером-схемотехником перед выдачей задания на проектирование печатной платы конструктору;

OrCAD GerbTool – программа создания и доработки управляющих файлов для фотоплоттеров;

Visual CADD – графический редактор фирмы Numera Software (упрощенный аналог AutoCAD).

Зарегистрированные пользователи OrCAD имеют возможность получать дополнительную информацию и ответы на свои вопросы через Интернет, используя проект OrCAD Design Network (ODN, http://www.orcad.com/odn). Kроме того, круглосуточно доступна «горячая линия» по электронной почте: [email protected].

В настоящее время на сайте www.orcad.com доступна демо-версия пакета OrCAD 10.5.

OrCAD 9.2 функционирует на ПК с процессорами Pentium и совместимых с ними под управлением Windows 95/98 или Windows NT 4.0 (с Service Pack 3 или Service Pack 4). Необходимый объем ОЗУ не менее 32 Мбайт и 250 Мбайт дискового пространства.

Для отдельных модулей на жестком диске требуется объем памяти:

OrCAD Capture – 75 Мбайт;

OrCAD PSpice – 50 Мбайт (вместе с PSpice Schematics);

OrCAD Layout – 90 Мбайт (вместе с GerbTool и Visual CAD);

Документация – 60 Мбайт.

Общая характеристика программы OrCAD Capture Программа OrCAD Capture предназначена для создания проекта, часть которого может быть задана в виде принципиальной электрической схемы, а другая часть может быть описана на языке высокого уровня VHDL. Кроме того, из оболочки OrCAD Capture запускаются программы моделирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств PSpice и параметрической оптимизации PSpice Optimizer. В программе OrCAD Capture проекты подразделяются на несколько типов. Информация о проектах, созданных в системе OrCAD, записывается в отдельные файлы, имеющие стандартные расширения имен [6].

При создании проекта в соответствии с его типом автоматически загружаются необходимые библиотеки компонентов (позднее их перечень можно изменить вручную), при этом для всех специализированных проектов возможна передача информации в программу OrCAD Layout для создания печатных плат. При создании принципиальных схем проекта необходимая информация отыскивается во встроенной базе данных, которая поставляется вместе с системой и пополняется пользователями. Причем при наличии опции Component Information Systems (CIS) официальные пользователи получают доступ через Интернет к расширенной базе данных, содержащей сведения примерно о 200 тыс. компонентов различных фирм (приведены их символы и корпусы).

Дополнительно информацию о работе пакета OrCAD можно получить в [7–10].

ПРИМЕР МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ, АНАЛОГИЧНЫХ ИССЛЕДУЕМЫМ В ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА ORCAD

1. В примере промоделированы преобразователь частоты на основе аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде, преобразователь частоты на основе двойного балансного смесителя и преобразователь частоты на диодном кольцевом балансном смесителе.

2. При моделировании были взяты следующие параметры входных сигналов:

• частота входного сигнала fс = 535 кГц, • частота гетеродина fг = 1000 кГц, • амплитуда входного сигнала Uс = 20 мВ, • амплитуда сигнала с частотой гетеродина Uс = 400 мВ.

3. Требуется получить спектр сигнала на выходе каждого преобразователя.

4. Производится запуск подготовленных моделей из трех созданных в пакете OrCAD папок (Transbal, Dvoinbalconv, Diod), местонахождение которых в компьютере указывает преподаватель. В результате формируются соответствующие файлы с выходными данными. Для исследования характеристик моделей необходимо запустить соответствующие программы в пакете OrCAD:

• преобразователь частоты на основе аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде – divconv.opj (из папки Transbal);

• преобразователь частоты на основе двойного балансного смесителя – dvoinbalc.opj (из папки Dvoinbalconv);

• преобразователь частоты на диодном кольцевом балансном смесителе – converter.opj (из папки Diod).

Параметры входного сигнала в модели необходимо задавать под указателем Signal, а параметры сигнала гетеродина под меткой Oscillator. VAMPL – амплитуда сигнала, FREQ – частота сигнала.

На рис. П2.1–2.6 приведены принципиальные схемы преобразователей частоты и соответствующие спектры сигналов на выходе.

5. При анализе полученных результатов можно сделать вывод о соответствии результатов моделирования и результатов экспериментального исследования (или несоответствии с объяснением причин), а также о составе спектра на выходе каждого преобразователя и о величине сигнала на выходе каждого преобразователя. Отметить достоинства и недостатки.

ПРИМЕР МОДЕЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ,

АНАЛОГИЧНЫХ ИССЛЕДУЕМЫМ В ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА ORCAD

1. В примере промоделированы частотные детекторы на расстроенном контуре и амплитудном детекторе, на основе аналогового перемножителя, на детекторе отношений (дробный детектор).

2. При моделировании были взяты следующие параметры входных сигналов:

• средняя частота входного сигнала fс = 2550 (2650) кГц, • амплитуда входного сигнала Uс = ±1 В, 3. Требуется получить демодулированный сигнала на выходе каждого детектора.

4. Производится запуск подготовленных моделей из трех созданных в пакете OrCAD папок (Kontur, Peremn, Drobn), местонахождение которых в компьютере указывает преподаватель. В результате формируются соответствующие файлы с выходными данными. Для исследования характеристик моделей необходимо запустить соответствующие программы в пакете OrCAD:

• частотный детектор на основе аналогового перемножителя – Fm.opj (из папки Peremn);

• частотный детектор на расстроенном контуре и амплитудном детекторе – upios.opj (из папки Kontur);

• дробный частотный детектор – untuned.opj (из папки Diod).

Параметры входного сигнала в модели необходимо задавать под указателем Signal. VAMPL – амплитуда сигнала, FREQ – частота сигнала.

На рис. П2.7–П2.16 приведены принципиальные схемы моделей частотных детекторов и сигналы на входе и выходе, а также детекторные характеристики.

VAMPL = 0.02V Рис. П2.1. Преобразователь частоты на основе аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде Рис. П2.2. Спектр частот на выходе преобразователя частоты на основе аналогового перемножителя Oscillator VOFF = Signal VOFF = Рис. П2.4. Спектр частот на выходе преобразователя частоты на основе двойного балансного смесителя VOFF = VAMPL = 0.2V FREQ = 535kHz VOFF = VAMPL = 0.4V FREQ = 1000kHz Рис. П2.5. Преобразователь частоты на диодном кольцевом балансном смесителе Рис. П2.6. Спектр частот на выходе преобразователя частоты на диодном кольцевом балансном смесителе 5. При анализе полученных результатов можно сделать вывод о соответствии результатов моделирования и результатов экспериментального исследования (или несоответствии с объяснением причин), а также о характере сигнала на выходе каждого детектора. Отметить достоинства и недостатки.

Рис. П2.9. Частотный детектор на аналоговом перемножителе Рис. П2.10. Частотная характеристика на входе амплитудного ограничителя Рис. П2.11. Сигнал на входе детектора Рис. П2.12. Сигнал на входе амплитудного ограничителя Рис. П2.13. Сигнал на выходе детектора Рис. П2.14. Частотный детектор на расстроенном контуре и амплитудном детекторе Рис. П2.15. Сигнал на входе детектора Рис. П2.16. Сигнал на выходе детектора

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Н. Н. Фомин, Н. Н. Буга, О. В. Головин и др.; Под ред. Н. Н. Фомина. М.: Радио и связь, 1996.

2. Буга, Н. Н. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Н. Н. Буга и др.; Под ред. Н. И. Чистякова. М.: Радио и связь, 3. Радиоприемные устройства: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов / Ю. Т. Давыдов, Ю. С. Данич, А. П. Жуковский и др.;

Под ред. А. П. Жуковского. М.: Высшая школа, 1989.

4. Богданович, Б. М. Радиоприемные устройства: Учеб. пособие для вузов / Б. М. Богданович, Н. И. Окулич; Под общ. ред. Б. М. Богдановича. М.:

Высшая школа, 1991.

5. Палшков, В. В. Радиоприемные устройства: Учеб. пособие / В. В. Палшков. М.: Радио и связь, 1984.

6. Разевиг, В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2 / В. Д. Разевиг.

M.: СОЛОН-Р, 2003. 528 с.: ил. (Сер. «Системы проектирования»).

7. Разевиг, В. Д. Система проектирования цифровых устройств OrCAD / В. Д. Разевиг. М.: Солон-Р, 2000.

8. Разевиг, В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0 / В. Д. Разевиг. М.: Солон, 1999.

9. Бибило, П. Н. Основы языка VHDL / П. Н. Бибило. М.: Солон-Р, 2000.

10. Афанасьев, А. О. Проектирование в OrCAD / А. О. Афанасьев, С.

А. Кузнецов, А. В. Нестеренко Киев: Наука и техника, 2001.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ВХОДНАЯ ЦЕПЬ

1.1. Общие сведения

1.2. Основные характеристики входной цепи

1.3. Обобщенная эквивалентная схема одноконтурных входных цепей.......... 1.4. Виды входных цепей

1.5. Частотная характеристика входной цепи

1.6. Одноконтурные входные цепи с переменной настройкой

1.7. Лабораторная работа «Входная цепь»

2. УСИЛИТЕЛЬ РАДИОСИГНАЛА

2.1. Общие сведения

2.2. Основные характеристики усилителей радиосигналов

2.3. Общий анализ усилителя радиосигналов

2.4. Влияние проводимости обратной передачи на свойства усилителя радиосигналов

2.5. Устойчивость усилителей радиосигналов

2.6. Перестраиваемые усилители радиосигналов

2.7. Лабораторная работа «Усилитель радиосигналов»

3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧСТОТЫ

3.1. Общие сведения

3.2. Преобразователь частоты на основе аналогового перемножителя на дифференциальном каскаде

3.3. Преобразователь частоты на основе двойного балансного смесителя..... 3.4. Преобразователь частоты на диодном кольцевом балансном смесителе

3.5. Побочные каналы приема

3.6. Лабораторная работа «Преобразователь частоты»

4. ЧАСТОТНЫЙ ДЕТЕКТОР

4.1. Общие сведения

4.2. основные характеристики частотного детектора

4.3. Частотные детекторы с преобразованием частотной модуляции в амплитудную модуляцию

4.4. Частотные детекторы с преобразованием частотной модуляции в фазовую

4.5. Частотный детектор на основе аналогового перемножителя

4.6. Дробный частотный детектор

4.7. Лабораторная работа «Частотный детектор»

5. АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

5.1. Общие сведения

5.2. Основные характеристики и параметры амплитудного детектора........... 5.3. Принцип действия и характеристики диодного детектора

5.4. Транзисторный детектор

5.5. Синхронный детектор

5.6. Лабораторная работа «Амплитудный детектор»

6. ЧАСТОТНАЯ АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ

6.1. Общие сведения

6.2. Основные характеристики системы частотной автоподстройки частоты

6.3. Принципы работы системы частотной автоподстройки частоты........... 6.4. Характеристики основных элементов системы ЧАПЧ

6.5. Анализ работы системы ЧАПЧ

6.6. Лабораторная работа «Частотная автоподстройка частоты».................. 7. ФАЗОВАЯ АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ

7.1. Общие сведения

7.2. Принципы работы системы фазовой автоподстройки частоты.............. 7.3. Лабораторная работа «Фазовая автоподстройка частоты»

8. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ

8.1. Общие сведения

8.2. Основные параметры системы АРУ

8.3. Типы систем АРУ с обратным регулированием

8.4. Основные характеристики систем автоматической регулировки усиления

8.5. Анализ работы системы АРУ в динамическом режиме

8.6. Лабораторная работа «Автоматическая регулировка усиления»........... Приложение 1 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА

Приложение 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ ORCAD. ПРИМЕРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ УЗЛОВ УПИОС

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК