РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Одной из наиболее важных тенденций в развитии систем обработки информации является непрерывное увеличение объема и скорости обработки данных. Современная электроника на базе интегральных микросхем достигла в этом направлении значительных успехов. Дальнейшее радикальное улучшение основных показателей информационных систем связывается с привлечением различных методов обработки информации. [1]

В Елецком государственном университете им. И.А. Бунина на базе кафедры «Радиоэлектроники и компьютерной техники» ведется научно-исследовательская работа по разработке различных лабораторных стендов по одной из ведущих дисциплин специализации "Радиотехнические цепи и сигналы".

Одним из таких стендов является учебно-лабораторный стенд для исследования нелинейных радиотехнических устройств. Расчет и создание действующей и виртуальной модели нелинейного устройства является актуальной задачей учебного процесса.

Основными элементами учебного процесса по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы», которая формирует радиоинженера, является теоретический и практический курс, который включает лекции и лабораторно-практические работы. В процессе обучения для организации взаимодействия между преподавателем и студентами используются посредствующие элементы (средства обучения). С их помощью увеличивается объем передаваемой учебной информации, оптимизируется процесс формирования новых понятий, профессиональных умений, улучшается восприятие изучаемых технических объектов, физических явлений, лежащих в основе работы рассматриваемых технических устройств. [2]

Учебно-лабораторный стенд разработан с учетом основных дидактических принципов (наглядности, систематичности и последовательности, доступности, научности, связи теории с практикой). Стенд эффективно можно использовать для демонстрации экспериментов на лекционных занятиях, на лабораторно-практических работах по радиотехнике и в исследовательских работах студентов, в том числе при выполнении выпускных квалификационных работ. Поэтому данный объект исследования имеет теоретическую и практическую значимость. [3]

Использование таких учебно-лабораторных стендов на лекционных демонстрациях и на лабораторно- практических занятиях по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы» является прочной основой для подготовки профессионально-компетентного, творческого специалиста, имеющего достаточный уровень фундаментальной, предметной, технико-технологической и общепрофессиональной подготовки.

Для реализации устройства была выбрана схема амплитудного модулятора, изображѐнная на Рисунке 1

Приведем краткое описание работы амплитудного модулятора.

Транзистор Q1 разделяет модулирующее входное напряжение на два противофазных разнополярных сигнала. Прерванные модулированные сигналы (точки С и D) суммируются при помощи резисторов R5 и R6.

Транзистор Q1 является парафазным усилителем модулирующего сигнала, при этом сигнал на эмиттере Q1 имеет фазовый сдвиг и амплитуду, несколько меньшую входного уровня. Постоянная составляющая модулирующего сигнала равна приблизительно - 5 В на эмиттере транзистора Q1 и +5 В на его коллекторе, где фаза сигнала сдвинута на 180° по отношению к входу.

На другой вход модулятора подаѐтся несущее колебание в виде сигнала «меандр». Транзисторы Q2 и Q3 выполняют роль «ключей», которые пропускают соответственно положительные или отрицательные полупериоды прямоугольной несущей.[4]

Под действием входного несущего сигнала на транзисторах Q2 и Q3 попеременно изменяется состояние от насыщения до отсечки коллекторного тока. Этот сигнал поступает на базы транзисторов Q2, Q3 соответственно через резисторы R1, R2 и диоды D1, D2. Диоды защищают транзисторы от повышенного обратного напряжения база-эмиттер, которое может возникнуть при большом  уровне несущей. Конденсаторы C1 и С2 служат для уменьшения времени переключения транзисторов Q2 и Q3.

Коллекторы транзисторов Q2, Q3 соединены с выходами фазорасщепителя Q1 через резисторы R3 и R4. Эти резисторы используются для развязки цепей модулирующего и модулируемого сигналов. В каждом положительном полупериоде несущей модулирующий сигнал на коллекторе транзистора Q1 переключается от своего среднего значения 5 В до нуля транзистором Q2. В результате этого на коллекторе транзистора Q2 формируется прерывистый модулирующий сигнал. Аналогично модулирующий сигнал на эмиттере транзистора Q1 прерывается транзистором Q3, причѐм переход транзистора Q3 из запертого состояния в состояние насыщения происходит в течение каждого отрицательного полупериода несущей.

Положительные и отрицательные прерывистые модулирующие сигналы объединяются в суммирующей цепи, состоящей из резисторов R5 и R6. При суммировании компоненты с частотой прерываний, присутствующие в прерывистых модулирующих сигналах, взаимно компенсируются.

Чтобы получить синусоидальную несущую, выходной сигнал необходимо отфильтровать.

Частотные свойства модулятора в основном зависят от быстродействия переключающих транзисторов. Для транзисторов, показанных на Рисунке 1, верхняя частота модулированного выходного сигнала составляет 1 МГц. Сам модулятор имеет плоскую частотную характеристику и сохраняет линейность до модулирующей частоты 250 кГц, после чего искажения огибающей становятся заметны. При частоте несущей 100 кГц и частоте модуляции 1 кГц можно получить линейную модуляцию с глубиной до М = 95%.

В режиме холостого хода максимальная амплитуда выходного модулированного сигнала равна 7,4 В при размахе входного модулирующего сигнала 14 В. Минимальный размах несущей на входе модулятора для получения выходного прямоугольного сигнала составляет 2,8 В. Увеличение уровня несущей  относительно номинального значения не приводит к появлению каких-либо нежелательных эффектов. Форма модулирующего сигнала может быть произвольной. [5]

В качестве несущей, желательно использовать сигнал прямоугольной формы. Можно использовать синусоидальный сигнал, однако при этом ухудшается процесс коммутации. Минимальный размах синусоидальной несущей равен 4 В. При частоте несущей 10 кГц и размахе модулирующего сигнала 14 В можно осуществить линейную модуляцию с глубиной до 97,5%.

Список литературы

1.     Амелина М. А. Компьютерный анализ и синтез электронных устройств. Часть 1 / М. А. Амелина. - Конспект лекций.- М.: - 2011г.

2.     Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С.Гоноровский.- Учебник для вузов. Радио и связь. - М.: 1994.

3.     Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И.Баскаков.- Учебник для вузов. - М.: 1991.

4.     Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники / Е.И.Манаев.- Радио и связь .- М.: 2005.

5.     Каяцкас А. А. Основы радиоэлектроники / А. А. Каяцкас. - Высшая школа.- М.: 2007.