Входные цепи: Учебно-методическое пособие для вузов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В.И. Парфенов, А.В. Захаров

ВХОДНЫЕ ЦЕПИ Учебно-методическое пособие для вузов

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2008

Утверждено научно-методическим 17 января 2008 г., протокол № 1

советом

физического

факультета

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры радиотехники ВИ МВД РФ С.Н. Тростянский

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре радиофизики физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендовано для студентов 3 курса дневного отделения и студентов 4 курса вечернего отделения кафедры радиофизики физического факультета Воронежского государственного университета.

Для специальности 010801 − Радиофизика и электроника

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Назначение и структурная схема входной цепи Входной цепью (ВЦ) называется цепь радиоприемных устройств (РПУ), связывающая антенну с избирательным усилителем радиосигналов или преобразователем частоты. Назначение входной цепи. Приемники одного типа могут эксплуатироваться с различными внешними антеннами, которые по-разному влияют на параметры приемника. Кроме того, параметры каждой антенны различны для разных частот принимаемых сигналов. Поэтому влияние антенны на характеристики приемника на разных частотах может быть различным. Для того, чтобы влияние параметров антенны не приводило к недопустимому изменению характеристик приемника, применяется входная цепь. Входная цепь должна без искажений пропускать полезный сигнал в заданном интервале частот и ослаблять мешающие сигналы (помехи), принимаемые на других частотах. Таким образом, входная цепь должна осуществлять частотную фильтрацию полезного сигнала. Эта задача наиболее просто решается с помощью резонансных электрических цепей, настраиваемых на частоту полезного сигнала. Чем лучше частотная избирательность входной цепи, тем сильнее ослабляются мешающие сигналы. Если частотная фильтрация будет неэффективной, то качество приема полезного сигнала может заметно ухудшиться. Действительно, следующие за входной цепью усилитель и преобразователь частоты приемника содержат электронные компоненты (транзисторы, интегральные микросхемы), обладающие нелинейными вольт-амперными характеристиками. Совместное прохождение сигнала и помех через эти компоненты приводит к искажениям сигнала, например, к переносу модуляции помехи на полезный сигнал и т. д. Кроме того, в супергетеродинных приемниках входные цепи используются для ослабления мешающих сигналов на частоте fЗ зеркального канала и на промежуточной частоте fПЧ. Это связано с тем, что мешающие сигналы на этих частотах не могут быть отфильтрованы в полосовом усилителе промежуточной частоты, они должны быть максимально ослаблены именно во входной цепи. Структурная схема входной цепи с подключенной к ней антенной изображена на рис. 1.1. Входная цепь содержит избирательную цепь (контур), а также элементы связи избирательной цепи с антенной (элемент A на рис. 1.1) и с последующими активными каскадами (элемент B на рис. 1.1). Левее штриховой линии 1-1’ на рис. 1.1 показана эквивалентная схема антенны. Эквивалентная схема антенны на рис. 1.1 состоит из последовательно соединенных идеального генератора напряжения (ЭДС) E& А и внутреннего 3

(выходного) сопротивления антенны Z& A . ЭДС генератора E& А характеризует электрический сигнал, возникающий в антенне за счет энергии электромагнитного поля принимаемого полезного сигнала. Если в точке расположения антенны напряженность электрического поля равна E& , то E& A = hD × E& , где hD − действующая высота антенны. Внутреннее сопротивление Z& антенны в общем случае представляет собой последовательно A

Z& A

Элемент связи A

E& A

Антенна

2’

1’

1

Избирательная цепь (контур)

Входная цепь

UВЫХ

Элемент связи B

2

Рис. 1.1 соединенные индуктивность LA антенны, емкость C A антенны и активное сопротивление потерь RA . В качестве элемента связи антенны с избирательной системой ВЦ (резонансным контуром) могут использоваться емкость, индуктивность и их комбинации. 1.2. Основные электрические характеристики входной цепи 1. Комплексный коэффициент передачи по напряжению K& U ( f ) – это отношение комплексной амплитуды U& ВЫХ напряжения на выходе ВЦ (на входе первого активного элемента приемника) к комплексной амплитуде ЭДС E& А , возникающей в антенне 1 : K& U = U& ВЫХ / Е& А . Измеряется при гармонической ЭДС в антенне с фиксированной частотой f и зависит от этой частоты, т. е. K& U = K& U ( f ) . 2. Амплитудно-частотная характеристика KU ( f ) (АЧХ) – это модуль комплексного коэффициента передачи, рассматриваемый как функция частоты f выходного сигнала антенны: KU ( f ) = K& U ( f ) . 3. Частота настройки (собственная частота) f0 – это частота f , при которой АЧХ KU ( f ) входной цепи максимальна. 1

В случае магнитной (ферритовой) антенны – к напряженности поля сигнала. 4

4. Резонансный коэффициент передачи по напряжению KU 0 – это величина АЧХ KU ( f ) входной цепи на частоте настройки f = f0 , т. е. KU 0 = KU ( f 0 ) . Резонансный коэффициент передачи по напряжению KU 0 равен максимальному значению АЧХ KU ( f ) входной цепи для всех частот f. В общем случае значение коэффициента KU 0 зависит от частоты настройки f0 входной цепи. Для повышения чувствительности радиоприемного устройства целесообразно выбирать ВЦ таким образом, чтобы ее резонансный коэффициент передачи был бы возможно больше. С другой стороны, для обеспечения постоянной чувствительности приемного устройства в заданном диапазоне частот необходимо, чтобы резонансный коэффициент передачи ВЦ менялся как можно меньше с изменением частоты настройки этой цепи. 5. Коэффициент неравномерности выходного резонансного напряжения (резонансного коэффициента передачи) – это отношение G0 = KU 0MAX / KU 0 MIN , где KU 0 MAX и KU 0 MIN − максимальное и минимальное значения резонансного коэффициента передачи KU 0 в заданном диапазоне частот настройки f0 входной цепи. Постоянство резонансного коэффициента передачи по напряжению в заданном диапазоне частот настройки определяет постоянство чувствительности приемного устройства в этом диапазоне. 6. Резонансная характеристика d( f ) − это отношение АЧХ KU ( f ) цепи к резонансному коэффициенту передачи KU 0 , т. е. d( f ) = K U ( f ) / K U 0 , причем max d( f ) = d( f 0 ) = 1 . Резонансная характеристика представляет собой нормированную к единице амплитудно-частотную характеристику цепи. Резонансная характеристика характеризует частотную селективность (избирательность) ВЦ и определяет степень уменьшения коэффициента передачи (АЧХ) цепи при отклонении (расстройке) частоты f выходного сигнала антенны относительно частоты настройки f0 цепи. 7. Полоса пропускания – это область частот f вокруг частоты настройки (собственной частоты) f0, в пределах которой сохраняется допустимая неравномерность АЧХ (резонансной характеристики). Пусть резонансная характеристика d( f ) достигает максимума на частоте настройки f = f0. Тогда d( f 0 ) = max d( f ) = 1 . В этом случае неравномерность АЧХ в пределах некоторой полосы частот f, включающей частоту f0, характеризуется минимальным значением d 0 = min d( f ) резонансной характеристики в пределах этой полосы частот. Полоса пропускания [ f H ; f B ] определяется как максимально широкий частотный интервал, в пределах которого d( f ) ³ d 0 . 5

На практике в качестве допустимого значения d 0 часто выбирают величину d 0 = 1 2 » 0.707 или d 0 = 0.5 . 8. Коэффициент перекрытия диапазона частот – это отношение K Д = f 0 MAX / f 0 MIN , где f 0 MAX и f 0MIN − максимальная и минимальная частоты f0 настройки ВЦ при условии, что неравномерность резонансного коэффициента передачи KU 0 (коэффициент G0 ) в полосе частот настройки [ f 0 MIN ; f 0 MAX ] находится в допустимых пределах. Если в качестве элемента настройки ВЦ использует2 ся конденсатор переменной емкости, то K Д = C MAX / C MIN , где CMAX и C MIN максимальное и минимальное значения емкости этого конденсатора. 1.3. Виды входных цепей На практике обычно используют следующие типы входных цепей: − одноконтурные перестраиваемые цепи; − многоконтурные (обычно двухконтурные и реже трехконтурные) перестраиваемые цепи; − цепи на основе неперестраиваемых полосовых фильтров; − цепи на основе фильтров низких частот; − цепи на основе сложных цепей, содержащих режекторные фильтры, избирательно подавляющие помехи на определенных частотах. В подавляющем большинстве приемников с регулируемой настройкой (радиовещательных и связных) ВЦ выполняются одноконтурными. Широко применяются такие ВЦ и в приемниках с постоянной настройкой, к частотной избирательности которых не предъявляется высоких требований (например, в телевизионных приемниках). Лишь при очень высоких требованиях к избирательности приемника применяются многоконтурные ВЦ. В качестве элемента связи антенны с контуром ВЦ во избежание потерь при передаче сигналов обычно используются реактивные элементы. На рис. 1.2 показаны различные виды одноконтурных входных цепей, содержащих параллельный колебательный контур LС, а именно: − с внешнеемкостной связью (рис. 1.2, а) через конденсатор связи ССВ; − с внутриемкостной связью (рис. 1.2, б) с помощью конденсатора связи ССВ; − с индуктивной (трансформаторной или магнитной) связью (рис. 1.2, в) с помощью катушки связи LСВ, индуктивно связанной с катушкой L контура; − с комбинированной индуктивно-емкостной (индуктивной и внешнеемкостной) связью (рис. 1.2, г) через конденсатор связи ССВ и катушку связи LСВ; − с автотрансформаторной связью (рис. 1.2, д) с помощью катушки связи L1, являющейся частью катушки L контура. 6

CСВ

к УРС

к УРС 1’

1’ L

С1

CСВ

1

1

б)

а)

ССВ

к УРС 1’

C

L

C

M

к УРС

L

LСВ

1’ C

M LСВ

1

L C

1 в)

к УРС 1’

г)

M L C L1

1 д)

Рис. 1.2 На рис. 1.3 показана одна из наиболее распространенных схем двухконтурной входной цепи. Здесь связь первого контура LК1СK1 с антенной – индуктивная с помощью катушки связи LСВ. Связь между контурами LК1СK1 и LК2СK2 – внутриемкостная через конденсатор связи CСВ1 и внешнеемкостная через конденсатор связи CСВ 2 . Такая ВЦ позволяет обеспечить форму резонансной кривой, более близкую к прямоугольной. 7

Далее будем рассматривать только одноконтурные входные цепи.

CCB2 LK2

LK1 CK2

CK1

UBЫX

LCB

CCB1 Рис. 1.3

1.4. Анализ обобщенной эквивалентной схемы одноконтурной входной цепи Различные схемы одноконтурных ВЦ отличаются главным образом способами связи колебательного контура с антенной и с первым активным элементом приемника, следующим за ВЦ. Общие соотношения, характеризующие работу одноконтурных ВЦ при фиксированной частоте, не зависят от видов связи контуров. Поэтому рассматривать эти соотношения можно на примере любой схемы.

1’

I&A

Y&A

1 Рис. 1.4 Для анализа одноконтурной ВЦ построим ее эквивалентную схему с учетом подключенной антенны. Рассмотрим вначале эквивалентную схему антенны. Эквивалентная схема антенны. Учтем, что эквивалентная схема антенны может быть представлена не только с генератором ЭДС Е& А и внутренним комплексным сопротивлением Z& А , как это показано на рис. 1.1, но также с генератором тока I& А и выходной комплексной проводимостью Y&А (рис. 1.4). Запишем комплексное сопротивление антенны в 8

схеме, показанной на рис. 1.1, как Z& A = R A + ( jwL A + 1 / jwC A ) = R A + jX A , X A = wL A - 1 / wC A . При этом параметры антенны в схеме на рис. 1.4 будут равны Y&A = 1 / Z& A и I& = E& / Z& = E& × Y& . A

A

A

A

A

Для составления эквивалентной схемы ВЦ отнесем реальный элемент связи антенны с колебательным контуром к антенне. Параметры антенны с учетом элемента связи, в отличие от ее собственных параметров, будем обозначать со штрихом. Обозначим Z& СВ − комплексное сопротивление элемента связи. Для схемы, представленной на рис. 1.2, а : Z&СВ = 1/ jwCСВ , для рис. 1.2, в: Z& СВ = rСВ + jwLСВ , где rСВ – активное сопротивление катушки связи; для рис. 1.2, д: Z& СВ = rL1 + jwL1 , где rL1 − активное сопротивление катушки L1 , являющейся частью катушки L контура. На основании сказанного, обозначив через XCB и rCB реактивное и активное сопротивления элемента связи, запишем полное сопротивление антенной цепи как Z& A' = Z& A + Z& СВ = R A + rСВ + j ( X A + X СВ ) = rA' + jX A' . (1.1) Таким образом, с учетом элемента связи в соответствии с (1.1) выражения для тока генератора эквивалентной схемы антенной цепи (рис. 1.4) и выходной проводимости генератора примут вид I& A' = E& A / Z& A' = E& AY&A' , Y&A' = 1 / Z& A' = g A' + jb A' = rA' / | Z& A' |2 - jX A' / | Z& A' |2 .

2’

1’ E& A Z& A'

(1.2)

L gA’

bA’ g L1

CK

gBЫX UK

L2

UBЫX

CBЫX

U1 1

Рис. 1.5

2

Эквивалентная схема ВЦ с учетом антенны в общем случае. При любом виде связи колебательного контура с антенной для расчета коэффициента передачи колебательного контура, определяющего избирательность ВЦ, важно знать степень (силу) связи, которая существенно определяет 9

основные характеристики ВЦ. Поэтому в общем случае можно эквивалентной схемой представить любой вид связи колебательного контура с антенной. Воспользуемся для последующего анализа случаем автотрансформаторной связи колебательного контура как с входом последующего каскада РПУ, так и с антенной. Такая схема изображена на рис. 1.5. Левее штриховой линии 1-1’ показаны элементы антенной цепи, подсоединенные к части контурной катушки L1. Для описания степени связи антенны с контуром вводят коэффициент включения p1 = U1 / U K , который равен p1 = L1 / L . Правее линии 2-2’ показаны элементы последующего каскада РПУ. Все эти элементы подключены к части контурной катушки L2 c коэффициентом включения p2 = U ВЫХ / U K = L2 / L . Здесь U 1 ,U K ,U ВЫХ − амплитуды напряжений на соответствующих участках цепи (см. рис. 1.5). Согласно сказанному ранее, представленная на рис. 1.5 схема является эквивалентной по отношению ко всем конкретным схемам одноконтурных ВЦ с различными видами связей контура с антенной и входом последующего каскада РПУ. Поэтому, анализируя эту схему, выясним общие свойства одноконтурных ВЦ. Внешние для контура реактивные проводимости b' A и емкости CВЫХ вносят в контур параллельно подключенные к нему '' реактивные составляющие bA'' = p12bA' и CВЫХ = p22CВЫХ 2. Полагая bA' − ем-

костной, т. е. bA' = 1 / wC A' , можно считать, что с учетом действия внешних реактивностей эквивалентная емкость колебательного контура ' 2 ' 2 CЭ = CК + p1 C A + p2 CВЫХ . Если же реактивность bA (см. рис. 1.5) будет иметь индуктивный характер, то во всех формулах, куда входит эта проводимость, перед bA' следует поставить знак минус. Следовательно, показанную на рис. 1.5 схему можно упростить (см. рис. 1.6). Контур ВЦ настраивается на частоту сигнала конденсатором C Э , и при резонансе проводимость контура будет чисто активной и равной g. Эквивалентная схема входной цепи, настроенной на частоту сигнала. Рассмотрим эквивалентную схему ВЦ при резонансе, когда частота f сигнала равна частоте настройки ВЦ f0, а проводимость контура активна и равна g. Для упрощения последующих математических записей пересчитаем параметры элементов схемы ко входу последующего каскада РПУ (выходу ВЦ). Собственная проводимость колебательного контура при этом g ' = g / p22 . Активные проводимости g A' и g ВЫХ вносят в колебательный 2

Действительно, неполное подключение к контуру (с коэффициентом включения p) резистора с проводимостью g1 эквивалентно подключению ко всему колебательному ' 2 контуру резистора с проводимостью g1 = p g1 . Поскольку емкостная проводимость b = wC , то неполному подключению к контуру емкости C будет соответствовать подключение ко всему колебательному контуру эквивалентной емкости C¢ = p 2C . 10

контур

параллельно

включенные

проводимости

g 'A' = p12 g 'A

и

'' g ВЫХ = p22 g ВЫХ . Следовательно, проводимость g 'A , пересчитанная на вы-

ход схемы, будет равна g C = p12 g 'A / p 22 , а полная активная проводимость, пересчитанная к выходу схемы, определится как

G = g ВЫХ

+ g ¢ + g C = g ВЫХ +

1’

p12 ' g + 2 gA . 2 p2 p2

(1.3)

L g ' I 'A = E& A / Z& A

L1

gA’

CЭ

gBЫX

L2

1

Рис. 1.6

Ток генератора, пересчитанный на выход схемы, p ' (1.4) I&AВЫХ = 1 I&A' . p2 С учетом этих последних выражений эквивалентная схема ВЦ при резонансе еще более упростится и примет вид рис. 1.7.

1’

' I&AВЫХ =

p = 1 I&A' p2

p12 ' gA p 22

g p22

U& ВЫХ

gBЫX

1 Рис. 1.7 Исследование эквивалентной схемы настроенной ВЦ. 1) Резонансный коэффициент передачи KU 0 (см. п. 1.2). Согласно закону Ома выходное напряжение схемы 11

' U& ВЫХ = I&AВЫХ /G =

g ВЫХ

p1 I&A' / p2 . 2 2 ' 2 + g / p2 + p1 g A / p2

В соответствии с определением резонансный коэффициент передачи ВЦ принимает вид p1 p2 pp | U& | | U& | KU 0 = ВЫХ = ' ВЫХ' = ' = 1' 2 . (1.5) 2 ' 2 | E& A | | I&A Z& A | | Z& A | ( p1 g A + p2 g ВЫХ + g ) Z A g Э Здесь g Э = p12 g A' + g + p22 g ВЫХ − эквивалентная проводимость колебательного контура с учетом действия на него внешних активных проводимостей g 'A и g . Здесь также учтено, что | Z& 'A |= Z 'A = rA' . ВЫХ

2) Условия максимума резонансного коэффициента передачи ВЦ. На ' рис. 1.7 источником сигнала является источник тока с током I&AВЫХ и параллельно с ним включенной проводимостью g С = p12 g 'A / p22 , пересчитанной на выход. Энергия источника сигнала передается в нагрузку, которой служат две параллельно включенные проводимости с общей проводимостью g / p22 + g ВЫХ = g Н . Определим условия, обеспечивающие достижение максимального значения резонансного коэффициента передачи ВЦ (1.5). С этой целью продифференцируем (1.5) по коэффициенту включения Р1 (при фиксированном значении Р2) и приравняем полученное выражение нулю. В результате несложно получить, что максимальное значение коэффициента передачи (1.5) будет достигаться при Р1 = Р2с, где p1С =

g + p22 g ВЫХ . g 'A

(1.6)

При выполнении этого условия, т. е. при p1 = p1C , резонансный коэффициент передачи ВЦ (1.5) будет равен 1 1 . (1.7) KU 0 MAX = KU 0 p = p = 1 1C 2 Z A' g 'A ( g ВЫХ + g / p22 ) Отсюда видно, что KU 0 MAX монотонно растет с увеличением p2 . Значит, наибольшее значение коэффициента передачи будет при p2 = 1 , т. к. 0 < p2 £ 1 , и при выполнении равенства (1.6). Так как g A' = rA' / | Z& A' |2 , то Z A' = rA' / g 'A и выражение (1.7) при p2 = 1 окончательно принимает вид -1

(1.8) = é 2 rA' ( g ВЫ Х + g ) ù . p 2 =1 ë û Условия p2 = 1 и (1.6) называют условиями согласования. Из (1.8) следует, что в режиме согласования для увеличения KU 0 выгодно уменьшать проводимость g колебательного контура и применять каскад РПУ, следующий за ВЦ, с малой активной входной проводимостью g ВХ . Сопротивление антенной цепи целесообразно иметь малым. Однако последнее K U 0 C = K U 0 M AX

12

трудно регулировать, т. к. согласно выражению (1.1) оно не может быть меньше значения rA' , определяемого заданным типом антенны. Отметим также следующее. Собственная проводимость колебательного контура, как известно, имеет вид Q = 1/ g r , где r = 1/ LC − характеристическое сопротивление. В то же время эквивалентная добротность контура, получаемая при пересчете всех параметров на выход схемы, равна QЭ = 1/ G r , где G определяется формулой (1.3). При согласовании, т. е. при p2 = 1 и p1 = p1C (см. формулу (1.6)), эквивалентная добротность принимает вид QЭ = Q / 2(1 + g ВЫХ / g ) , т. е. уменьшается более чем в 2 раза по сравнению с собственной добротностью колебательного контура. При этом, очевидно, происходит ухудшение избирательности ВЦ. Таким образом, между стремлением получить наибольший коэффициент передачи и наилучшую избирательность ВЦ имеется противоречие. Обозначим: GС − оптимальная величина полной проводимости контура ВЦ, пересчитанной на выход. С учетом (1.3), (1.6) (при p2 = 1 ) имеем (1.9) GС = G | p1 = p1С = 2( g + g ВЫХ ) . Обозначив a = p1 / p1С , из (1.5), (1.8) и (1.3), (1.9) получаем (при p2 = 1 ) KU 0 2a , G 1 + a 2 . (1.10) = = 2 KU 0С 1 + a 2 GС

KU0/KU0C

G/GC 8

1

0.8 0.6

6

0.4

4

2

0.2 0

1

2

2 3

a

Рис. 1.8 На рис. 1.8 кривыми 1 и 2 показаны зависимости (1.10) соответственно. Из них следует, что при изменении коэффициента включения от 0.5 p1С до 2 p1С (0.5 < a < 2) коэффициент передачи уменьшается только на 20 % от своего наибольшего значения, а полная проводимость колебательного контура, пересчитанная на выход (а значит, и полоса пропускания), возрастет в 4 раза. Поэтому относительно большой коэффициент передачи и малая полоса пропускания получаются при p2 = 1 , p1 = (0.5 ¸ 0.7) p1С . (1.11) 13

В этих условиях коэффициент передачи будет составлять порядка 80 % от максимального значения, а избирательность ВЦ будет мало отличаться от избирательности ненагруженного контура. Если указанные условия (1.11) не обеспечивают требуемой избирательности, то при g ВХ > g применяют неполное включение входа последующего каскада РПУ к колебательному контуру ( p2 < 1) . Так обычно поступают в транзисторных приемниках. При этом на практике обычно выбирают p2 = (1 ¸ 3) g / g ВЫХ . 1.5. Одноконтурные входные цепи с переменной настройкой Ненастроенные антенны используются, в частности, в радиовещательных приемниках диапазонов длинных, средних и коротких волн. Ненастроенные антенны помимо активного сопротивления обладают также реактивными свойствами. Из-за этого наблюдаются потери и расстройка в контуре входной цепи. Поэтому связь входного контура с антенной делают слабой из условия малой расстройки контура. Это обеспечивает возможность работы от антенн, имеющих большой разброс параметров. При слабой связи из антенны в контур вносится небольшое дополнительное затухание, обычно не более 10–20 % от собственного, что позволяет сохранить избирательные свойства ВЦ. Однако коэффициент передачи ВЦ при слабой связи получается малым. С этим приходится мириться, тем более, что сильные радиопомехи в рассматриваемых диапазонах волн лишают возможности принимать слабые сигналы. Рассмотрим некоторые распространенные схемы входных цепей. 1.5.1. Входная цепь с внешнеемкостной связью с антенной В силу своей простоты внешнеемкостная связь (см. рис. 1.2, а) находит широкое применение как в радиовещательных, так и в профессиональных радиоприемных устройствах. Эквивалентная схема ВЦ с внешнеемкостной связью контура с антенной приведена на рис.1.9. Как указано ранее, при

CA’ RA

CA CCB

LA

L

E& A

R

Рис.1.9 14

C

ненастроенной антенной цепи связь между нею и колебательным контуром устанавливается сравнительно слабой. Для этого емкость конденсатора связи CСВ обычно выбирается небольшой. На километровых и гектометровых волнах она не превышает 10 ¸ 30 пФ, а на декаметровых − 2 ¸ 5 пФ. При таких значениях емкости, как правило, выполняется неравенство C A >> CСВ . При последовательном включении в цепь антенны конденсатора связи общая емкость антенной цепи равна (1.12) C A' = C ACСВ /(С А + ССВ ) . Эта величина также будет малой. Следовательно, если в диапазоне рабочих частот 1 / wC А' >> wLA , то антенная цепь имеет в основном емкостной характер. Если, кроме того, 1/ wC А >> RA , то с большой точностью можно пренебречь не только индуктивностью антенны LA , но и ее активным сопротивлением, т. е. считать LA » 0 , Z A' » 1/ w0C A' = C A + CСВ . (1.13) w0С АССВ При условии, что p2 = 1 , из (1.5) получаем следующее выражение для резонансного коэффициента передачи (здесь также учтено, что коэффициент включения антенной цепи p1 = CСВ /(С А + ССВ ) ): 2 C ACСВ w0 . KU 0 = × (С А + ССВ ) 2 g Э Учитывая, что для рассматриваемой схемы g Э = 1/ w0 LQЭ (см. определение добротности параллельного колебательного контура [1, 4, 5]), из последнего выражения получаем '

KU 0

2 C ACСВ = × w02 LQЭ . 2 (С А + ССВ )

(1.14)

Из (1.14) следует, что резонансный коэффициент передачи находится в квадратичной зависимости от частоты настройки (см. также рис. 1.10). Величина KU 0 определяется значениями емкости связи и эквивалентной добротности контура QЭ .

KU0

KU0max KU0min f0min

Рис. 1.10 15

f0max

f0

Отметим, что основным недостатком ВЦ с внешнеемкостной связью с антенной является большая неравномерность резонансного коэффициента передачи в пределах рабочего диапазона, что начинает сказываться при коэффициенте перекрытия K Д ³ 1.5 . 1.5.2. Входная цепь с индуктивной связью контура с антенной Эквивалентная схема ВЦ с индуктивной связью контура с антенной приведена на рис.1.11. Пусть из-за отсутствия резонанса в антенной цепи для нее выполняется неравенство | Z& A' | >> rA' . Следовательно, активным сопротивлением антенны можно пренебречь по сравнению с ее реактивным сопротивлением и считать Z A' = X A' = w0 ( LСВ + LA ) - 1 . Учитывая кроме w0 C A этого, что обычно L A f 0 MAX ) (режим укороченной антенны). В этом случае собственная частота антенной цепи превышает максималь16

ную частоту рабочего диапазона. В таком режиме резонансный коэффициент передачи резко возрастает с частотой так, что KU 0 » f 02 (см. сплошную кривую на рис. 1.12, а). Это объясняется следующими двумя причинами. Во-первых, ЭДС, наводимая антенной цепью в контуре ВЦ, пропорциональна реактивной составляющей сопротивления связи между катушками wM , а оно растет с увеличением частоты. Во-вторых, эта ЭДС пропорциональна току в антенной цепи, а по мере увеличения частоты и приближения к собственной частоте антенной цепи происходит уменьшение сопротивления Z A' (см. формулу (1.15) и штриховую линию на рис. 1.12, а) и увеличение тока в антенне.

KU0 , ZA’

KU0 , ZA’

f0min

a)

f0max fA’ f0

f0min

fA’ б)

f0max f0

KU0 , ZA’

fA’

f0min

в) Рис. 1.12

2. При w0 MIN < w'A < w0 MAX ( f 0 MIN < полное сопротивление антенной цепи имеет

f0max f0 f A' < f 0 MAX ) согласно (1.15) резко выраженный минимум

на частоте f 0 = f A' , соответствующей резонансным свойствам антенной цепи (см. штриховую линию на рис. 1.12, б). Согласно выражению (1.16) KU 0 ® ¥ при f A' = f 0 , а на крайних частотах диапазона [ f 0 MIN ; f 0 MAX ] он будет значительно меньше. Объясняется это тем, что при f 0 = f A' сопротивление Z A' ® rA' и становится минимальным. Изменение коэффици17

ента передачи по диапазону получается недопустимо большим. Он изменяется как бы по резонансной кривой антенной цепи, но правая ветвь более приподнята из-за указанного ранее увеличения wM с частотой (см. сплошную кривую на рис. 1.12, б). Учитывая такое резкое и немонотонное поведение коэффициента по диапазону, в радиовещательных приемниках длинных и средних волн такой режим работы не используется. 3. При w'A < w0 MIN ( f A' < f 0 MIN ) (режим удлиненной антенны). Согласно (1.15) полное сопротивление антенной цепи в диапазоне рабочих частот прямо пропорционально частоте f 0 . Резонансный коэффициент передачи меняется при этом не так резко, как в предыдущих случаях, т. к. при отклонении частоты сигнала от собственной частоты антенной цепи величина Z A' увеличивается, а эквивалентная проводимость контура ВЦ g Э уменьшается и в какой-то степени компенсирует возрастание Z A' . Благодаря этому, создаваемое антенной в колебательном контуре напряжение сохраняется в диапазоне рабочих частот почти постоянным. Практически же изменение Z A' оказывается более сильным (см. штриховую кривую на рис. 1.12, в), особенно при приближении f A' к f 0 MIN . Поэтому коэффициент передачи немного уменьшается с ростом частоты. Кроме того, указанное достоинство (постоянство коэффициента передачи) в полной мере реализовать достаточно трудно, т. к. режим удлиненной антенны обеспечивается при большой величине индуктивности LСВ , а ее увеличение приводит к снижению значения KU 0 (см. сплошную кривую на рис. 1.12, в). Тем не менее данный режим работы антенны находит наибольшее применение во входных цепях с трансформаторной связью. 1.5.3. Входная цепь с комбинированной связью Для этой ВЦ (см. рис. 1.2, г) напряжение на контуре создается двумя цепями связи: через конденсатор CСВ (внешнеемкостная связь) и за счет взаимной индуктивности М (трансформаторная или индуктивная связь).

KU0 1 2

f0min

f0max Рис. 1.13 18

f0

Как показано выше, во входных цепях с внешнеемкостной связью антенная цепь вносит в колебательный контур расстройку, понижающую его собственную частоту, а резонансный коэффициент передачи сильно возрастает с частотой (см. формулу (1.14) и кривую 1 на рис. 1.13). Во входной цепи с трансформаторной (индуктивной) связью необходимо использовать режим удлинения, т. е. требуется выполнение условия f A' < f 0 MIN . При этом появляющаяся за счет антенной цепи расстройка колебательного контура приводит к увеличению его собственной частоты и резонансный коэффициент передачи в рабочем диапазоне уменьшается с ростом частоты (см. формулу (1.16) и кривую 2 на рис. 1.13). Эти характерные свойства ВЦ позволяют создать схему с комбинированной трансформаторноемкостной связью, которая позволяет получить гораздо больший коэффициент передачи при лучшей его равномерности в полосе частот. Для правильной настройки ВЦ необходимо, чтобы ЭДС, наводимые антенной во входном колебательном контуре, за счет каждого вида связи были синфазны. Определяется это по характеру изменения напряжения на колебательном контуре при переключении концов катушки связи. Правильное включение соответствует возрастанию напряжения, а ошибочное – уменьшению. Эту проверку следует делать на средней частоте рабочего диапазона. Наибольшая равномерность резонансного коэффициента передачи в заданном диапазоне частот получается при выборе f A' MAX = (0.8 ¸ 0.85) f 0 MIN , т. к. в этом случае за счет трансформаторной связи коэффициент передачи более резко уменьшается с частотой, что лучше компенсирует действие внешнеемкостной связи. В первом приближении результирующий коэффициент передачи равен сумме значений KU 0 , вычисленных отдельно для каждого из видов связи.

19

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель лабораторной работы Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование частотных характеристик входных цепей РПУ, использующих колебательный контур с регулировкой частоты настройки, при наличии следующих видов связи с антенной: − внешнеемкостной связи; − трансформаторной (взаимноиндуктивной) связи в режиме удлиненной антенны; − комбинированной (трансформаторно-емкостной) связи. Основными задачами лабораторной работы является изучение методов измерения частотных характеристик входных цепей РПУ, а именно: − резонансного коэффициента передачи цепи по напряжению; − резонансной (амплитудно-частотной) характеристики цепи; а также сравнение частотных характеристик входных цепей при использовании перечисленных видов связи входной цепи с антенной. 2.2. Описание макета лабораторной работы Передняя панель лабораторной установки содержит (рис. 2.1): − тумблер «ВКЛ» включения установки; − изображение структурной ВКЛ схемы лабораторной установки; Панель − панель ручного управления цифрорежимами работы; Структурная буквен− панель цифро-буквенного схема ного дисплея. установки дисплея На задней стенке установки имеются контрольные выходы: Панель ручного управления «Out 1» – напряжение u ВЫХ (t ) выходного сигнала исследуемой цепи, «Out 2» – напряжение uC (t ) Рис. 2.1 входного сигнала этой цепи. 2.2.1. Структурная схема лабораторной установки Схема лабораторной установки для исследования характеристик входных цепей показана на рис. 2.2. Лабораторная установка включает в себя следующие элементы. 1) Генератор G входного сигнала исследуемой цепи. Генератор формирует гармоническое напряжение (2.1) uC (t ) = U C sin(2π f C t ) с фиксированной амплитудой U C и с регулируемой частотой f C . Частота 20

f C входного сигнала uC (t ) устанавливается в диапазоне частот от 250 кГц до 2 МГц с помощью регулятора «ЧАСТОТА» и переключателя «ДИАПАЗОН», расположенных на панели ручного управления. Значение частоты f C отображается на экране цифро-буквенного дисплея, расположенного на лицевой панели установки. Сигнал uC (t ) генератора G моделирует сигнал с выхода антенны, подключенной ко входной цепи РПУ. В лабораторной установке напряжение uC (t ) с выхода генератора G подается на исследуемую входную цепь и на контрольный выход «Out 2», расположенный на задней стенке установки. “Out 2” “Вход ВЦ”

“C2”

“C3”

G uC(t) Генератор входного сигнала

“C1”

C1

C0 M

C2

uВЫХ(t)

V

C3 LСВ

“М”

“Out 1” “Выход ВЦ”

C

L

K

CР

“Связь” Рис. 2.2

UH

“Частота настройки”

Р

2) Исследуемая входная цепь (ВЦ). Состоит из следующих элементов: − перестраиваемого по частоте колебательного контура; − цепи связи контура с антенной (с генератором G); − цепи связи контура с последующими каскадами РПУ. Рассмотрим эти элементы подробнее. а) Колебательный контур входной цепи. Является основным элементом входной цепи, обеспечивающим ее частотную избирательность. В данной лабораторной установке колебательный контур состоит из параллельно соединенных индуктивности L и эквивалентной емкости C ¢ . Эквивалентная емкость C ¢ представляет последовательно соединенные емкость CV варикапа V и емкость разделительного конденсатора СР. Эквивалентная емкость C ¢ определяется по формуле C ¢ = CV C P /(CV + C P ) . Варикап V предназначен для электронной перестройки резонансной частоты f 0 колебательного контура LC ¢ . Варикап представляет собой полупроводниковый диод специальной конструкции с большой емкостью p-n перехода. При обратном смещении p-n перехода постоянным напряжением, когда потенциал анода отрицателен относительно катода и переход закрыт, варикап может использоваться как конденсатор. Емкость варикапа 21

можно регулировать, меняя постоянное обратное напряжение на p-n переходе, которое называют напряжением настройки. В схеме лабораторной установки (рис. 2.2) при изменении напряжения настройки U H меняется емкость CV варикапа V и, следовательно, эквивалентная емкость C ¢ контура. При этом изменяется резонансная частота (частота настройки) f 0 = 1 /( 2p LC ¢ ) колебательного контура и входной цепи в целом. Конденсатор СР предназначен для отделения цепи подачи постоянного напряжения настройки от общего провода ВЦ. На практике емкость СР выбирают достаточно большой, так что выполняется условие СР >> CV . Тогда эквивалентная емкость C ¢ » CV определяется в основном емкостью CV варикапа, а величина емкости разделительного конденсатора СР практически не влияет на частоту настройки f 0 входной цепи. б) Цепь связи контура с антенной. Вид цепи связи контура с антенной зависит от положения переключателей «СВЯЗЬ» (рис. 2.2). Если включен один из переключателей «C1», «С2» или «С3», то антенна соединяется с контуром через соответствующий конденсатор С1, С2 или С3. Емкости этих конденсаторов выбраны так, что C1 < C2 < C3. Можно одновременно включить несколько переключателей, тогда между антенной и контуром параллельно подключаются несколько конденсаторов, емкости которых складываются. Таким образом, при включении одного или нескольких переключателей «C1», «С2», «С3» устанавливается внешнеемкостная связь между контуром и антенной. Если включен переключатель «M», то антенна соединяется с контуром через катушку связи LCB . Катушка связи LCB намотана на одном каркасе с катушкой контура L или находится в непосредственной близости от нее. В результате между катушками LCB и L устанавливается трансформаторная (взаимоиндуктивная) связь с некоторым коэффициентом взаимной индукции M. Таким образом, при включении переключателя «M» устанавливается трансформаторная связь между контуром и антенной. Если одновременно включены переключатель «M» и один или несколько переключателей «C1», «С2», «С3», то между контуром и антенной устанавливается комбинированная трансформаторно-емкостная связь. Эта связь осуществляется одновременно через катушку связи LCB и через включенные конденсаторы C1, C2, C3. в) Цепь связи контура с последующими каскадами РПУ. Для связи входной цепи с последующими каскадами РПУ используется емкостная связь через конденсатор C0. После конденсатора C0 в лабораторной установке расположен буферный усилитель K. Он предназначен для исключения влияния последующих каскадов РПУ на характеристики входной цепи. Напряжение с выхода усилителя K является выходным сигналом 22

u ВЫХ (t ) рассматриваемой входной цепи. Выходное напряжение цепи при гармоническом входном сигнале uС (t ) (2.1) определяется как u ВЫХ (t ) = U ВЫХ sin(2pf C + j) . (2.2) Здесь выходное напряжение u ВЫХ (t ) (2.2) отличается от входного напряжения uС (t ) (2.1) только амплитудой U ВЫХ ¹ U С и начальной фазой j . Выходной сигнал u ВЫХ (t ) (2.2) исследуемой цепи поступает на контрольный выход «Out 1» на задней стенке лабораторной установки. 3) Электронный вольтметр P. Подключен к выходу ВЦ (к выходу усилителя K) и измеряет действующее значение амплитуды U ВЫХ выходного напряжения (2.2) исследуемой входной цепи. Результаты измерений отображаются на цифро-буквенном дисплее, расположенном на лицевой панели лабораторной установки. 2.2.2. Панель ручного управления Используется для задания характеристик входной цепи и частоты входного сигнала цепи. Панель содержит поля «G » ГВЧ» и «ВЦ» с регуляторами, кнопками и индикаторами. Общий вид панели показан на рис. 2.3. Кнопки на панели ручного управления включаются и выключаются последовательными нажатиями. При включенном состоянии светится соответствующий кнопке индикатор. Если кнопка используется для переключения нескольких режимов работы, то режимы переключаются последовательными нажатиями на кнопку. При этом светится индикатор, соответствующий выбранному режиму. G » ГВЧ

ВЦ НАСТРОЙКА

ДИАПАЗОН ЧАСТОТА fMIN… fMIN… fCP… …fСР …fMAX … fMAX

СВЯЗЬ С1 С2 С3

М

Рис. 2.3 Панель ручного управления содержит следующие поля. 1) Поле «G » ГВЧ» генератора G входного гармонического напряжения uС (t ) = U С sin (2pf C t ) , моделирующего выходной сигнал антенны. Поле содержит: − кнопку «ДИАПАЗОН» для включения одного из трех диапазонов регулировки частоты f C входного напряжения цепи, а именно: [ f MIN ... f СР ] , [ f MIN ... f MAX ] или [ f CP ; f MAX ] , где f MIN < f CР < f MAX ; 23

− потенциометр «ЧАСТОТА» для плавной регулировки частоты f C

входного напряжения цепи внутри выбранного диапазона. Кнопка «ДИАПАЗОН» и потенциометр «ЧАСТОТА» позволяют регулировать частоту f C входного напряжения цепи от 250 кГц до 2 МГц. 2) Поле «ВЦ», задающее параметры исследуемой цепи. Поле содержит: − потенциометр «НАСТРОЙКА» для установки частоты настройки f 0 (резонансной частоты колебательного контура) входной цепи32; − кнопки «СВЯЗЬ» для подключения конденсаторов связи С1 (кнопка «С1»), С2 (кнопка «С2»), С3 (кнопка «С3») и катушки связи L CB (кнопка «M») между антенной (генератором G) и контуром входной цепи. 2.2.3. Панель цифро-буквенного дисплея Используется для выбора пункта лабораторной работы и для отображения величин, измеряемых в этом пункте, на цифробуквенном жидкокристаллическом дисплее. При выборе пункта работы встроенная микропроцессорная схема управления автоматически производит подключение цифровых измерительных приборов к необходимым точкам схемы. В результате, на дисплее автоматически отображаются все величины, измеряемые при выполнении данного пункта работы. Общий вид панели цифро-буквенного дисплея показан на рис. 2.4. На панели под fC= цифробуквенным дисплеем (рис. 2.4) расUВЫХ = положены следующие кнопки: − кнопка «>>» перехода к следующему пункту работы (последовательные нажатия на эту кнопку приводят к перебору пунктов работы от начала к концу работы); > Т − кнопка «>» на панели дисплея. Тогда лабораторная установка перейдет в режим выполнения пункта П. 1 работы, что будет отмечено соответствующей надписью на экране дисплея. При этом ко входу исследуемой цепи автоматически подключается генератор G, а к выходу – вольтметр P, согласно рис. 2.2. На вход цепи с выхода генератора G автоматически подается гармоническое напряжение u C (t) с частотой f C и с фиксированной амплитудой U C . С выхода цепи снимается гармоническое выходное напряжение u ВЫХ (t ) с амплитудой U ВЫХ и с той же частотой f C , которое подается на вход вольтметра P. На экране цифро-буквенного дисплея отображаются значения частоты f C входного сигнала и амплитуды U ВЫХ выходного напряжения цепи. Замечание. Последующие нажатия на кнопку «>>» переводят лабораторную установку в режим выполнения следующих пунктов работы (П. 2, П. 3 и т. д.). Однако все пункты работы используют одинаковое подключение генератора G и вольтметра P к исследуемой входной цепи. Поэтому кнопку «>>» для перехода к другим пунктам работы можно не нажимать. 2.5. Выполнение работы Выполнить следующие пункты лабораторной работы. П. 1. Исследование входной цепи с внешнеемкостной связью Замечание. Здесь для связи контура входной цепи и антенны (генератора G) используются конденсаторы связи С1, С2 или С3 (рис. 2.2), подклю27

чаемые с помощью кнопок «C1», «С2», или «С3» на панели ручного управления. При этом трансформаторная связь антенны с контуром должна быть отключена кнопкой «М». П. 1.1. Исследование зависимости выходного резонансного напряжения от частоты настройки входной цепи при различных значениях емкости связи Задание 1. С помощью кнопки «С1» на панели ручного управления подключить конденсатор связи С1. При этом конденсаторы С2, С3 и катушка LСВ должны быть отключены. Определить диапазон изменения частоты настройки f 0 входной цепи. Для этого потенциометр «НАСТРОЙКА» установить в крайнее левое положение, повернув его против часовой стрелки до упора. Это положение соответствует минимальной частоте настройки f 0 = f 0 MIN входной цепи. Определить частоту f 0 MIN настройки входной цепи и выходное резонансное напряжение U РЕЗ цепи по методике, описанной в п. 2.3.2. Затем потенциометр «НАСТРОЙКА» установить в крайне правое положение, повернув его по часовой стрелке до упора. Это положение соответствует максимальной частоте настройки f 0 = f 0 MAX входной цепи. Определить частоту f 0 MAX настройки входной цепи и выходное резонансное напряжение U РЕЗ цепи по методике, описанной в п. 2.3.2. Измерить напряжение U РЕЗ при других (не менее 10) значениях частоты настройки f 0 из интервала ( f 0 MIN ; f 0 MAX ). Значения частоты f 0 из интервала ( f 0 MIN ; f 0 MAX ) рекомендуется выбирать эквидистантно с шагом Df 0 = ( f 0 MAX - f 0 MIN ) / ( N + 1) . Методика настройки входной цепи на заданную частоту f 0 , а также методика измерения выходного резонансного напряжения U РЕЗ изложены в п. 2.3.1. Найти минимальное U РЕЗ = U РЕЗMIN и максимальное U РЕЗ = U РЕЗMAX значения выходного резонансного напряжения U РЕЗ при выбранной емкости связи. Рассчитать коэффициент неравномерности выходного резонансного напряжения по формуле Г0 = U РЕЗMAX / U РЕЗMIN . Для измеренных напряжений U РЕЗ при различных частотах f 0 рассчитать нормированные значения U РЕЗ 0 = U РЕЗ / U РЕЗMIN резонансного напряжения. Результаты измерений выходного резонансного напряжения U РЕЗ , а также рассчитанные по ним нормированные значения U РЕЗ 0 при различных частотах настройки f0 занести в таблицу. Построить график зависимости U РЕЗ 0 от частоты f 0 , указав под ним значения U РЕЗMIN , U РЕЗMAX и Г0 . Сделать вывод о влиянии частоты настройки входной цепи на ее выходное резонансное напряжение. 28

Задание 2. Отключить конденсатор связи С1 с помощью кнопки «С1» на панели ручного управления и включить конденсатор С2 с помощью кнопки «С2». Повторить выполнение задания 1. Задание 3. Отключить конденсатор связи С2 с помощью кнопки «С2» и включить конденсатор С3 с помощью кнопки «С3» на панели ручного управления. Повторить выполнение задания 1. Сделать вывод о влиянии емкости конденсатора связи на величину выходного резонансного напряжения и на характер зависимости резонансного напряжения от частоты настройки входной цепи. Указание. Кривые зависимости U РЕЗ 0 от частоты f 0 при выполнении заданий 2 и 3 наносить на тот же график, что и при выполнении задания 1. Замечание. По указанию преподавателя при выполнении заданий 1, 2 и 3 можно использовать другие варианты подключения конденсаторов связи, в том числе совместное включение конденсаторов. П. 1.2. Исследование влияния емкости конденсатора связи на расстройку входной цепи, вносимую антенной, при различных частотах настройки цепи Замечание. Под расстройкой входной цепи, вносимой антенной, понимается изменение частоты настройки f 0 этой цепи, возникающее при подключении к ней антенны. Изменение частоты настройки цепи при подключении антенны зависит от коэффициента связи между антенной и колебательным контуром, в частности, от емкости конденсатора связи при использовании емкостной связи. В данной лабораторной установке емкость конденсатора связи С1 весьма мала, поэтому мал и соответствующий ему коэффициент связи между антенной и контуром цепи. Поэтому считается, что при использовании конденсатора С1 отсутствует расстройка входной цепи, вносимая антенной, а частота f 0 = f 01 настройки цепи при использовании конденсатора С1 такая же, как и при отсутствии антенны. Конденсаторы связи С2 и С3 имеют большую емкость, поэтому подключение антенны через эти конденсаторы связи приводит к заметной расстройке входной цепи. Задание 1. Настроить входную цепь на минимальную частоту настройки f 0 = f 0 MIN . Для этого потенциометр «НАСТРОЙКА» перевести в крайнее левое положение, повернув его против часовой стрелки до упора. Включить конденсатор связи С1 с помощью кнопки «С1». При этом конденсаторы связи С2, С3 и катушка связи LСВ должны быть отключены кнопками «С2», «С3» и «М». Определить частоту f 0 = f 01 настройки входной цепи по методике, описанной в п. 2.3.2. Считать, что расстройка входной цепи, вносимая антенной, отсутствует при использовании конденсатора связи С1, а измеренная частота f 01 совпадает с частотой настройки входной цепи при отсутствии антенны. 29

Не меняя настройки входной цепи, отключить конденсатор связи С1 и включить конденсатор связи С2. Определить частоту f 0 = f 02 настройки входной цепи по методике п. 2.3.2. Рассчитать величину расстройки Df 2 = f 02 - f 01 входной цепи, вносимую антенной через емкость связи С2. Не меняя настройки входной цепи, отключить конденсатор связи С2 и включить конденсатор связи С3. Определить частоту f 0 = f 03 настройки входной цепи по методике п. 2.3.2. Рассчитать величину расстройки Df 3 = f 03 - f 01 входной цепи, вносимую антенной через емкость связи С3. Сделать вывод о влиянии емкости конденсатора связи на величину расстройки входной цепи, вносимую антенной. При этом учитывать, что выполняется условие С1 < С2 < С3. Замечание. По указанию преподавателя здесь и далее вместо включения конденсаторов связи С2 или С3 можно использовать одновременное включение нескольких конденсаторов связи. Задание 2. Настроить входную цепь на максимальную частоту настройки цепи f 0 = f 0 MAX . Для этого потенциометр «НАСТРОЙКА» перевести в крайне правое положение, повернув его по часовой стрелке до упора. Повторить задание 1 для установленной частоты настройки цепи. Задание 3. Настроить входную цепь на произвольную частоту f 0 в середине диапазона настроек. Для этого потенциометр «НАСТРОЙКА» установить в среднее положение. Повторить задание 1 для установленной частоты настройки цепи. Сделать вывод о влиянии частоты настройки на расстройку входной цепи, вносимую антенной. П. 1.3. Исследование резонансных характеристик входной цепи при различных частотах настройки и при различных емкостях конденсатора связи Задание 1. С помощью кнопки «С1» на панели ручного управления подключить конденсатор связи С1. При этом конденсаторы С2, С3 и катушка связи LСВ должны быть отключены. Настроить входную цепь на минимальную частоту f 0 = f 0 MIN . Измерить резонансную характеристику входной цепи по методике п. 2.3.3. Настроить входную цепь на максимальную частоту настройки f 0 = f 0 MAX . Измерить резонансную характеристику входной цепи. Настроить входную цепь на некоторую среднюю частоту диапазона настроек. Измерить резонансную характеристику входной цепи. На одном графике построить резонансные характеристики d( f ) входной цепи для всех трех частот настройки f 0 . Для каждой резонансной характеристики на графике указать измеренные по методике п. 2.3.3 значения частоты настройки f 0 и выходного резонансного напряжения U РЕЗ . 30

Частоту f при построении резонансной характеристики d( f ) откладывать по горизонтальной оси в линейном масштабе. Сделать вывод о влиянии частоты настройки на форму и ширину резонансной характеристики входной цепи. Задание 2. Отключить конденсатор связи С1 кнопкой «С1» на панели ручного управления и включить конденсатор С2 с помощью кнопки «С2». Повторить выполнение задания 1. Задание 3. Отключить конденсатор связи С2 кнопкой «С2» и включить конденсатор С3 кнопкой «С3». Повторить выполнение задания 1. Сделать вывод о влиянии емкости конденсатора связи на форму и ширину резонансной характеристики входной цепи. Указание. Кривые резонансных характеристик при выполнении заданий 2 и 3 нанести на тот же график, что и при выполнении задания 1. Замечание. По указанию преподавателя при выполнении заданий 1, 2, 3 можно использовать другие варианты подключения конденсаторов связи, в том числе и одновременное включение этих конденсаторов. П. 2. Исследование входной цепи с трансформаторной связью Замечание. Здесь для связи контура входной цепи и антенны (генератора G) используется катушка связи LСВ , индуктивно связанная с катушкой контура L. Катушка связи подключается кнопкой «M» на панели ручного управления. Емкостная связь антенны с контуром здесь должна быть отключена кнопками «С1», «С2» и «С3» на панели ручного управления. П. 2.1. Исследование зависимости выходного резонансного напряжения от частоты настройки входной цепи Задание. Выполнить задание 1 из П. 1.1, отключив емкостную связь кнопками «С1», «С2» и «С3» и включив трансформаторную связь кнопкой «M» на панели ручного управления. Полученные зависимости U РЕЗ 0 от частоты f 0 нанести на тот же график, что и для случая емкостной связи. П. 2.2. Определение собственной резонансной частоты антенны Замечание. Резонансные свойства антенны приводят к появлению второго максимума на резонансной характеристике KU ( f ) входной цепи. Положение этого максимума на оси частот приближенно совпадает с собственной резонансной частотой f A антенны и мало зависит от частоты f 0 настройки входной цепи. Положение другого максимума резонансной характеристики совпадает с частотой f 0 настройки входной цепи и меняется с изменением настройки. Задание. Настроить входную цепь на некоторую частоту f = f 0 , например, на максимальную частоту настройки f 0MAX . Для этого потенциометр «НАСТРОЙКА» повернуть по часовой стрелке до упора. Меняя частоту f = f C входного сигнала, найти два значения частоты f С = f1 и 31

f С = f 2 , при которых амплитуда U ВЫХ выходного напряжения цепи достигает наиболее заметных локальных максимумов. Определить значения частот f1 и f 2 по показаниям буквенно-цифрового дисплея. При этом одна из частот f1 или f 2 будет соответствовать частоте f 0 настройки входной цепи, а другая частота – резонансной частоте антенны f A . Максимально изменить частоту настройки f 0 входной цепи, установив ее, например, равной минимальной частоте настройки f 0 MIN . Для этого потенциометр «НАСТРОЙКА» повернуть против часовой стрелки до упора. Меняя частоту f = f C входного сигнала, снова найти два значения частоты f С = f1 и f С = f 2 , при которых амплитуда U ВЫХ достигает наиболее заметных локальных максимумов. Определить значения частот f1 и f 2 по показаниям дисплея. Сравнить измеренные значения частот f1 и f 2 при разных частотах настройки. Та из частот f1 или f 2 , которая сильно меняется с изменением настройки входной цепи, является частотой настройки f 0 . Другая частота, которая мало зависит от частоты настройки входной цепи, приближенно равна собственной резонансной частоте f A антенны. Зафиксировать в качестве резонансной частоты f A антенны ту из частот f1 или f 2 , которая мало меняется с изменением частоты настройки f 0 входной цепи. Из двух значений частоты f A , полученных при разных частотах настройки f0 входной цепи, следует взять то значение, которое найдено при максимальном отклонении частоты настройки f 0 от резонансной частоты f A антенны. Это необходимо для уменьшения влияния входной цепи на результаты измерения резонансной частоты антенны. На основе измеренного значения частоты f A сделать вывод о том, какой из режимов работы антенны реализуется в лабораторной установке: режим укороченной антенны, режим удлиненной антенны или промежуточный режим. П. 2.3. Исследование резонансных характеристик входной цепи при различных частотах ее настройки Задание. Выполнить задание 1 из П. 1.3, отключив емкостную связь кнопками «С1», «С2», «С3», и включив трансформаторную связь кнопкой «М» на панели ручного управления. Указание. При построении резонансной характеристики входной цепи ограничиться диапазоном частот f в окрестности частоты настройки цепи f 0 . Не рассматривать частоты в окрестности собственной резонансной частоты f A антенны. 32

П. 3. Исследование входной цепи при комбинированной связи Замечание. Здесь для связи контура входной цепи и антенны одновременно используются как конденсатор связи С1, С2 или С3, так и катушка связи LСВ . В результате, между антенной и контуром входной цепи устанавливается комбинированная трансформаторно-емкостная связь. П. 3.1. Исследование зависимости выходного резонансного напряжения от частоты настройки входной цепи при различных значениях емкости связи Задание 1. Выполнить задание 1 из П. 1.1, одновременно включив конденсатор связи С1 и катушку связи LСВ между контуром входной цепи и антенной. Задание 2. Выполнить задание 1 из П. 1.1, одновременно включив между контуром и антенной конденсатор связи С2 и катушку связи LСВ . Указание. Полученные при выполнении этих заданий зависимости UРЕЗ0 от f0 нанести на те же графики, что и для случая емкостной связи. Сравнивая полученные здесь результаты со случаями емкостной и трансформаторной связи, сделать вывод о влиянии комбинированной связи на характер и величину изменения выходного резонансного напряжения UРЕЗ с изменением частоты настройки f0 входной цепи. П. 3.2. Исследование резонансных характеристик входной цепи при различных частотах ее настройки (выполняется по указанию преподавателя) Задание 1. Выполнить задание 1 из П. 1.3, одновременно включив конденсатор связи С1 и катушку связи LСВ между контуром входной цепи и антенной. Задание 2. Выполнить задание 1 из П. 1.3, одновременно включив конденсатор связи С2 и катушку связи LСВ между контуром входной цепи и антенной. Указание. При снятии резонансных характеристик входной цепи ограничиться диапазоном частот в окрестности частоты настройки f 0 и не рассматривать частоты в окрестности резонансной частоты f A антенны. Замечание. По указанию преподавателя при выполнении заданий 2 из П. 3.1 и П. 3.2 можно вместо конденсатора связи С2 использовать другие емкости связи, в том числе и одновременное включение нескольких конденсаторов связи. 2.6. Содержание отчета к лабораторной работе Результаты выполнения лабораторной работы должны быть аккуратно оформлены в виде отчета в отдельной тетради. Отчет по лабораторной работе должен содержать: − наименование работы; − схему лабораторной установки; 33

− названия пунктов выполненной работы; − результаты выполнения работы по каждому из пунктов работы.

Отчет должен содержать следующие результаты выполнения работы: − таблицы значений выходного резонансного напряжения UРЕЗ и нормированных значений UРЕЗ0 этого напряжения в зависимости от частоты настройки f 0 для входных цепей · с емкостной связью при различных значениях емкости связи; · с трансформаторной (взаимноиндуктивной) связью; · с комбинированной трансформаторно-емкостной связью при различных значениях емкости связи; − для каждого ряда значений UРЕЗ0 из таблицы указать минимальное U РЕЗMIN и максимальное UРЕЗMAX значения выходного резонансного напряжения, а также коэффициент неравномерности Г 0 ; − графики зависимостей UРЕЗ0 от частоты настройки f 0 для входных цепей со всеми перечисленными видами связи (с указанием значений UРЕЗMIN, UРЕЗMAX и G0 для каждой кривой графика); − таблицы значений амплитуды U ВЫХ выходного напряжения цепи и резонансной характеристики d( f ) в зависимости от частоты f при различных частотах настройки f 0 для всех входных цепей с перечисленными видами связи; − для каждого ряда значений d( f ) из таблицы указать частоту настройки f 0 и выходное резонансное напряжение UРЕЗ; − графики резонансных характеристик d( f ) для входных цепей со всеми перечисленными видами связи (с указанием значений f 0 и UРЕЗ для каждой кривой графика); − величины расстроек Df Р , вносимых антенной, для входной цепи с емкостной связью при различных значениях емкости конденсатора связи; − значение собственной резонансной частоты антенны f A . Литература 1. Головин О. В. Радиоприемные устройства / О. В. Головин. – М. : Горячая линия – Телеком, 2002. – 383 с. 2. Румянцев К. Е. Прием и обработка сигналов / К. Е. Румянцев. – М. : Academia, 2004. – 527 с. 3. Радиотехнические устройства и элементы радиосистем / В. А. Каплун [и др.]. – М. : Высшая школа, 2002. – 293 с. 4. Палшков В. В. Радиоприемные устройства / В. В. Палшков. – М. : Радио и связь, 1984. – 390 с. 5. Богданович Б. М. Радиоприемные устройства / Б. М. Богданович. – Минск : Вышейшая школа, 1991. – 427 с. 34

Содержание 1. Теоретическая часть…………………………………………………… 1.1. Назначение и структурная схема входной цепи……………….. 1.2. Основные электрические характеристики входной цепи ……. 1.3. Виды входных цепей …………………………………………… 1.4. Анализ обобщенной эквивалентной схемы одноконтурной входной цепи ………………………………………………………......... 1.5. Одноконтурные входные цепи с переменной настройкой ……

3 3 4 6

2. Экспериментальная часть……………………………………………. 2.1. Цель лабораторной работы …………………………………….. 2.2. Описание макета лабораторной работы ………………………. 2.3. Методы измерений в лабораторной работе …………………… 2.4. Начало лабораторной работы ………………………………….. 2.5. Выполнение работы …………………………………………….. 2.6. Содержание отчета к лабораторной работе …………………… Литература..................................................................................................

20 20 20 24 27 27 33 34

35

8 14

Учебное издание

Парфенов Владимир Иванович, Захаров Александр Викторович

ВХОДНЫЕ ЦЕПИ Учебно-методическое пособие для вузов

Редактор И.Г. Валынкина

Подписано в печать 25.03.09. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 2,1 Тираж 50 экз. Заказ 153. Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета. 394000, г. Воронеж, пл. им. Ленина, 10. Тел. 208-298, 598-026 (факс) http://www.ppc.vsu.ru; e-mail: [email protected] Отпечатано в типографии Издательско-полиграфического центра Воронежского государственного университета. 394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3. Тел. 204-133