2. Описание лабораторной установки

Лабораторный макет состоит из блока формирования исследуемых радиосигналов и анализатора амплитудного спектра (рис.1.2.)

Рис.1.2. Структурная схема лабораторной установки

Блок формирования позволяет получить четыре вида сигналов: гармоническое колебание, радиосигнал с тональной амплитудной модуляцией (АМ радиосигнал) и последовательность коротких и длинных прямоугольных радиоимпульсов.

Исследуемые сигналы могут наблюдаться на экране осциллографа, подключаемого к клеммам “Исследуемый сигнал”.

Анализатор амплитудного спектра состоит из преобразователя частоты и узкополосного фильтра с фиксированной частотой настройки f_ф.

На входы преобразователя частоты подаются исследуемые радиосигналы и гармоническое колебание от внешнего генератора (гетеродина), в качестве которого используется генератор GFG8219A. На выходе преобразователя частоты образуется радиосигнал, спектр которого имеет ту же структуру, что и спектр исследуемого радиосигнала, но частоты всех его гармоник увеличены на частоту гетеродинаf_г (рис.1.3). Поэтому при регулировании частоты гетеродина спектр радиосигнала на выходе преобразователя частоты смещается вдоль оси частот без изменения своей структуры. Если частота какой-либо гармоники на выходе преобразователя частотыf_n+f_гпопадает в полосу пропускания фильтра, на его выходе появится напряжение, амплитуда которого максимальна при выполнении условия

f_n+f_г=f_ф ,(1.11)

где f_ф– средняя частота полосы пропускания фильтра;f_n– частота гармоники исследуемого сигнала на входе преобразователя частоты.

При этом амплитуда напряжения на выходе фильтра U_n пропорциональна соответствующей амплитуде гармоники на входе преобразователя частотыA_n:

U_n=K A_n, (1.12)

где K– коэффициент передачи гармонического колебания через анализатор спектра.

Действующее значение выходного напряжения может быть измерено с помощью вольтметра, подключаемого к клеммам “Выход”. Частоту гетеродина можно измерить частотомером.

Плавно меняя частоту гетеродина, можно последовательно определить амплитуды и частоты всех гармоник исследуемого сигнала.

Описанная методика может быть использована для измерения амплитудных спектров периодических сигналов, в которых интервал между соседними частотами значительно превышает полосу пропускания фильтра.

3. Порядок выполнения лабораторной работы

Перед началом измерений проверить схему соединений: генератор Г3‑118 подключён к разъёму «Генератор управляющего сигнала» лабораторной установки, генератор GFG-8219 – к разъёму «Гетеродин», осциллограф GOS‑620 подключён к разъёму «Исследуемый сигнал».

Рис.1.3. К методике измерения амплитудных спектров радиосигналов:

а) спектр исследуемого сигнала, АЧХ узкополосного фильтра и спектр сигнала на выходе анализатора спектра при несовпадении частот гармоник сигнала с частотой настройки фильтра;

б) спектр радиосигнала на выходе преобразователя частоты и выходе анализатора спектра при f_г1=f_ф-f₅;

в) спектр радиосигнала на выходе преобразователя частоты и выходе анализатора спектра при f_г2=f_ф-f₄.

Задание 1. Исследование амплитудного спектра гармонического колебания

1.1. Включить питание лабораторной установки, генератора GFG-8219 и осциллографа. Переключатель режимов работы блока формирования радиосигналов на панели лабораторной установки поставить в положение «Гармоническое колебание». Получить на экране осциллографа осциллограмму гармонического колебания в удобном для наблюдения масштабе. Зарисовать осциллограмму. Измерить и записать амплитуду А₀и период колебания Т₀, определить частоту f₀= 1/T₀(см. рис.1a).

1.2. Включить питание частотомера Ч3-34 (Ч3-33, Ч3-35). Измерить частоту ƒ₀, переключив кабель с входа осциллографа «СН 1» на вход «А» частотомера. Вновь подключить кабель к входу осциллографа.

1.3. Включить питание генератора GFG-8219, выполняющего в установке функцию внешнего гетеродина. С помощью кнопок выбора формы сигнала и диапазона частоты, а также потенциометра «FREQUENCY» установить режим генерации гармонического сигнала с частотой ~200 кГц. Переключить кабель входного сигнала осциллографа с разъёма «Исследуемый сигнал» лабораторной установки на разъём «OUTPUT» генератора, предварительно сняв подключённый к нему кабель. Регулировкой «AMPL» установить амплитуду выходного напряжения 500 мВ. Подключить вход осциллографа к разъёму «Выход» установки, а выход генератора вновь соединить с разъёмом «Гетеродин».

1.4. Плавно изменяя частоту гетеродина в диапазоне 20030 кГц, добиться максимальной амплитуды колебания на экране осциллографа. Записать частоту гетеродинаf_г. Измерить частоту выходного сигнала с помощью частотомера, переключив кабель с входа осциллографа к входу частотомера (аналогично п.1.1). Записать частотуf_фвыходного сигнала, которая совпадает с центральной частотой полосы пропускания фильтра в составе анализатора спектра. Проверить выполнение равенстваf₀=f_ф-f_г. Вновь подключить кабель к входу осциллографа.

Задание 2. Измерение коэффициента передачи гармонического колебания через анализатор спектра

2.1. Включить питание милливольтметра В3-38. Отключить кабель входного сигнала осциллографа от лабораторной установки. Подключая вход милливольтметра к разъёму «Исследуемый сигнал», а затем к разъёму «Выход» установки, измерить с его помощью и записать действующие значения напряжения соответственно на входе и на выходе анализатора спектра. Подсчитать коэффициент передачи K=U_вых/U_вх.

Задание 3. Исследование амплитудного спектра амплитудно-модулированного (АМ) радиосигнала при однотональной модуляции

3.1. Включить питание генератора управляющего сигнала Г3-118, установить частоту F=20 кГц. Подключить кабель входного сигнала осциллографа к гнезду «Исследуемый сигнал». Переключатель режимов блока формирования радиосигналов установить в положение «АМ радиосигнал» Установить амплитуду модулирующего сигнала, при которой. (рис.1.1б). Зарисовать осциллограмму, определить и записать значения параметров полученного сигнала.

3.2. Перестраивая частоту гетеродина (генератора GFG-8219) вблизи найденной в п. 1.3 частоты f_г, добиться максимального напряжения на выходе анализатора спектра, соответствующего центральной составляющей спектра АМ-радиосигнала (см. рис.1.1б). Измерить и записать в таблицу 1.1 частоту гетеродина и действующее значение выходного напряжения, определяемое с помощью милливольтметра В3-38. Изменяя частоту гетеродина вверх и вниз относительноf_г, на величину примерно 20 кГц таким же образом измерить параметры верхней и нижней боковых составляющих спектра.

Внимание! Милливольтметр ВЗ-38 измеряет эффективное (действующее) значение переменного напряжения, которое для синусоидального колебания равно от амплитудного значения.

Таблица 1.1

fг, кГц
f=fф-fг, кГц
Uвых, мВ
Uвх=Uвых/K, мВ

Задание 4. Исследование амплитудного спектра периодической последовательности радиоимпульсов

4.1. Установить переключатель режимов блока формирования радиосигналов в положение «Короткие…» или «Длинные прямоугольные радиоимпульсы» (по указанию преподавателя). Вход осциллографа подключить к гнезду «Исследуемый сигнал». Зарисовать осциллограмму, определить и записать значения параметров сигнала А_и, t_и, T.

4.2. Перестраивая частоту гетеродина (генератора GFG-8219) относительно найденной в п. 1.3 частоты fг измерить параметры центральной составляющей спектра и пяти пар боковых составляющих, соответствующих главному лепестку спектра. Результаты измерений записать в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

fг, кГц
f=fф-fг, кГц,
Uвых, мВ
Uвх=Uвых/K, мВ

После завершения измерений привести установку в исходное состояние. Выключить питание приборов и установки.

Задание 5. Расчет амплитудных спектров

5.1. Рассчитать амплитудный спектр АМ-радиосигнала при однотональной модуляции (при гармоническом управляющем сигнале), с параметрами, полученными в задании 3 на основании формул (1.7), (1.8).

5.2. Рассчитать амплитудный спектр последовательности прямоугольных импульсов с параметрами, полученными по заданию 4 на основании формулы (1.4).

5.3. Построить теоретические амплитудные спектральные диаграммы и сопоставить их с экспериментальными.