CC BY
187
УДК 378.1 + 53.072 : 681.3
АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ДЕТЕКТОРА АМ-СИГНАЛОВ В ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЕ ОгСАБ У.9.Х
А.И. Мушта, Ю.С. Балашов, С.Е. Тарасов, А.В. Дыхно
В информационной среде ОгСАБ У.9.Х с использованием персональной ЭВМ рассмотрены принципы работы детектора амплитудно модулированных колебаний
Ключевые слова: детектирование, АМ-колебания, информационная среда, персональная ЭВМ, формирование сигналов
Постановка задачи. Автоматизированные системы проектирования в ряде случаев успешно использованы для анализа электронных устройств [1]. Представляется целесообразным в информационной среде ОгСАБ У.9.Х рассмотреть основные принципы работы амплитудных детекторов, широко распространённых, в частности, в технике радиоприёма, измерительных устройствах и т.д. САПР ОгСАБ У.9.Х является мощным средством, которое позволяет глубже постигать физические процессы, протекающие в электронных средствах, расширить
объем проводимых исследований без увеличения расходов на комплектацию и оборудование.
Для анализа детектора АМ-сигналов необходимо предварительно рассмотреть возможность формирования АМ-сигнала, далее исследовать зависимость коэффициента детектирования от амплитуды несущей и глубины модуляции АМ-колебания, определить частотную характеристику детектора, определить коэффициент фильтрации напряжения высокой частоты, оценить влияние температуры окружающей среды на прохождение АМ-сигнала через детектор, рассмотреть использование детектора сигнала, модулированного по амплитуде, на процессы автоматического регулирования усиления (АРУ).
Разработка модели сигнала, амплитуда которого модулирована по гармоническому закону. Имеющиеся в системе сквозного схемотехнического проектирования ОгСАБ источники сигналов представлены незначительной по номенклатуре библиотекой. В связи с этим весьма полезным представляется освоение принципов построения моделей аналоговых сигналов [3]. Возможность применения источника разнообразных сигналов обусловлена наличием компонента VPWL_FILE (кусочно-линейный источник напряжения, заданный в файле), расположенного в библиотеке Боигсе.БШ.
Основными представлениями при моделировании сигналов являются временное (зависимость амплитуды сигнала от времени) и спектральное (зависимость амплитуды или фазы гармонических составляющих сигнала от частоты) представления.
Мушта Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. 89610285069
Балашов Юрий Степанович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732) 929445 Тарасов Сергей Евгеньевич - ВГТУ, студент, тел. 89102809498
Дыхно Александр Владимирович - ВГТУ, инженер, тел. 89042147128
Рассмотрим процедуру создания модели источника сигналов, которая позволяла бы получить временное представление колебания в виде массива значений (отсчетов), а спектральные характеристики (комплексный спектр сигнала) можно получить с использованием быстрого преобразования Фурье как в программной среде, так и с помощью средств расчета спектров при моделировании.
Наиболее подходящей и доступной для данных целей является программная среда МаШСАБ. Расчет значений и построение графиков осуществляется в интерактивном режиме, что обеспечивает высокую наглядность результатов.
Запишем выражение амплитудно-модулирован-ванного сигнала на языке программной среды, обозначив идентификатором временное представление сигнала
8]:= 8т [1+т-5т(2пГ^+ф)]5ш(2л1()-1з+у), где 8т, 10 у - амплитуда, частота и начальная фаза несущего колебания соответственно; та - глубина модуляции; F, ф - частота и начальная фаза управляющего (модулирующего) колебания соответственно.
На первом этапе сформируем массив отсчетов времени ] Для этого в окне программы МаШСАБ запишем следующие выражения:
]:=0..10000 ^-Ш-6
Поясним введенные идентификаторы программы. Сначала формируется массив значений переменной ]
- управляющей переменной, которая используется для индексации массивов, необходимых в модели; затем формируется массив значений времени Ес-
ли график временного представления сигнала будет ломанным (отсчетов сигнала недостаточно), то число отсчетов необходимо увеличить, одновременно изменив показатель степени при задании массива времени. При этом время моделирования значительно увеличивается, что следует учитывать при разработке моделей.
Зададим значения переменных для управления: а-частотой F и начальной фазой ф модулирующего (первичного) колебания; р-амплитудой 8т, частотой 1 и начальной фазой у несущего колебания; глубиной модуляции т.
Для этого в окне программы МаШСАБ запишем следующие выражения:
F:=2•103 ф:=0 Бт:=1
10:=3-104 у:=0 т:=0.5
После этого в окно программы поместим график, на горизонтальной оси которого зададим отображение переменной 1], а на вертикальной оси - перемен-
ной 8]. В результате выполнения указанных действий должен получиться график, представленный на рис. 1.
5 -10
0.001
0.0015
Рис. 1. Временное представление амплитудно-модулированного колебания
Таким образом, получен временной массив ам-плитудно-модулированного колебания. Имеется возможность управления амплитудой, частотой и начальной фазой несущего колебания, частотой и начальной фазой модулирующего колебания, а так же глубиной модуляции и наблюдать результаты изменений этих параметров на временном представлении сигнала.
Полученный результат необходимо записать в файл для его использования в качестве источника аналогового сигнала в программах моделирования. Компонент VPWL_FILE считывает из файла данные, представленные в следующем формате: (<отсчёт времени 1>,<отсчёт амплитуды 1>) (<отсчёт времени 2>,<отсчёт амплитуды 2>)
(<отсчёт времени М>,<отсчёт амплитуды М>). Чтобы получить файл, сформированный подобным образом, запишем следующий программный код:
1=0.1 81§Д:=Щ1=0,
WRITEPRN(“ 81§. dat”):=sig
Поясним введенные обозначения. Формируется массив из двух значений (0 и 1) для индексной переменной 1, которая буде участвовать в формировании двумерного массива sig по правилу: если 1 = 0,
то в j-элемент массива записывается отсчет времени tj, если i = 1 - записывается отсчет сигнала Sj.
Логическое выражение i = 0 в определении массива записано с использованием оператора «Equal to» (Равенство) из панели инструментов «Boolean» (Логика). Для правильной записи результатов расчета в файл в программе MathCAD следует установить следующие значения системных параметров PRN File Settings: Precision (точность отображения) = 10, Column Width (ширина столбца) = 20.
Затем формируется файл «sig.dat»; он будет размещаться в том же каталоге, что и файл с расчетами (*.mcd). Рассчитанный массив можно вывести в окно программы Math-CAD, набрав команду:
sig=
Рассмотрим ввод и моделирование испытательной схемы для проверки источника в графическом редакторе Schematics. Введем схему, показанную на рис. 2, а.
Компонент VPWL_FILE выбирается в библиотеке source.slb. Установим значение его атрибута File = sig.dat. Для этого следует курсор мыши переместить в область графического изображения и выполнить двойной щелчок левой кнопкой. При этом объект выделяется и открывается диалоговое окно Edit Attributes (рис. 2, б). В перечне атрибутов выбрать строчку File и в поле Value (значение) указать имя файла (sig.dat).
V1 PartMame: VPWL_FILE
Value = jsig.dalj
AC=
SIMULATIONONLY=
TSF=
VSF=
REPEAT_VALUE=
PKGREF=V1
Include Non-changeable Attributes Include System-defined Attributes
74 Change Display | Delele
a) 6)
Рис. 2. Проверка источника АМ-сигнала: схема измерения (а), диалоговое окно Edit Attributes (б)
Собранную схему следует сохранить в одном каталоге с файлом sig.dat, причем совпадение имен файла схемы и файла сигнала недопустимо. Далее задаются параметры директивы временного анализа и выполняется моделирование. В результате рас-
чёта получается точно такой сигнал, который был создан с помощью программы MathCAD (рис. 3.а). Спектр сигнала можно увидеть(рис. 3.б), воспользовавшись командой Fourier (Анализ Фурье), вызываемой из меню Trace (График) .
а) б)
Рис. 3. Амплитудно-модулированные колебания на выходе источника (а) и спектр сигнала (б)
Для использования изложенного принципа построения модели источника АМ-сигнала применительно к детектору радиовещательного радиоприёмника значения идентификаторов и переменных следует изменить. Используя следующие параметры, несущая частота равна промежуточной частоте- 465 кГц, амплитуда несущей 1 В, частота модулирующего сигнала 10 кГц, глубина модуляции
0,3, внесём изменения в запись программы МаШСАБ:
j:=0..10000
F:=10T03
tj*10-/
ф:=0
у:=0
Sm:=1.0 f0:=465-103 у:=0 m:=0.3
Так как период несущего колебания значительно сократился, для сохранения малого приращения переменной Sj значения идентификатора массива значений времени tj пришлось уменьшить. Соответственно уменьшим диапазон отображения tj на графике для удобства наблюдения. Далее, возможно, потребуется изменение лишь имени файла, в котором сохраняются результаты расчета.
Составление схемы измерения детектора АМ-сигналов и автоматической регулировки усиления. В редакторе схем Schematics создаем графическое изображение схемы детектора (рис. 4).
Источник сигнала имеет следующие параметры: частота несущей принята равной промежуточной частоте большинства радиовещательных приемников - 465 кГц, амплитуда несущей частоты 1В; частота модулирующего сигнала 10 кГц, глубина модуляции 0,3. Номера узлов схемы, в которых будет выполняться расчет сигнала, помечаются цифрами с помощью команды Label (метка).
Сгенерированный dat-файл, описывающий работу источника АМ-сигнала, копируется в каталог, в котором сохранена составленная схема. Значение атрибута File генератора VPWL_FILE должно соответствовать имени скопированного файла. В начале установим маркер в точке соединения диода и генератора (узел 1) и выполним расчет переходного процесса, чтобы убедиться в том, что на вход детектора поступает амплитудно-модулированное колебание с требуемыми амплитудными и временными параметрами. Для этого в меню Analysis (анализ) выбираем пункт Setup (установки), а в поя-
вившейся панели активируем пункт Transient (анализ переходных процессов). В открывшемся окне указываем конечное время расчета (Final Time) и шаг по времени (Print Step). Расчет переходного процесса выполняется по команде Simulate, вызываемой из меню Analysis.
Если сигнал отвечает всем требованиям технического задания, устанавливаем маркеры в узлы 2 и 4, и, выполнив аналогичный расчет переходного процесса, проконтролируем сигналы на выходе детектора (рис. 5). Для упрощения определения значений по графикам следует пользоваться инструментом Display (показ), вызываемым из меню Trace
- Cursor. Нанесение числовых значений измеряемых величин на график выполняется с помощью инструмента Mark (маркировка), вызываемого из меню Plot - Label.
і
1N4148
^ V1
и\_Л FILE=sig1.dat
Рис. 4. Схема измерения детектора АМ-сигналов и автоматической регулировки усиления
Рис. 5. Сигналы на выходе детектора в узлах 2, 4
Исследование зависимости коэффициента детектирования от амплитуды несущей частоты сигнала на входе детектора. Для оценки влияния на работу детектора величины амплитуды несущей частоты следует задать несколько её значений.. Сохраняя постоянное значение глубины модуляции, определим, как это отражается в выходном сигнале в узле
4. Для источника VPWL_FILE подготовим три dat-файла с различными амплитудами несущей частоты и, последовательно подключая их к источнику, рассчитаем переходные процессы для каждого случая (рис. 6). Для каждого расчета определим максимальную и минимальную амплитуды напряжения на нагрузке.
ОПЙшИ
a U С R3:2)
9s 50US 100U5 150US 200US 250US 300US
а U(R3:2)
Tine
б)
Рис. 6. Зависимости выходного сигнала от амплитуды
колебания несущей: Unes = 0.8в (а), Unes = 12в (б)
Коэффициент детектирования Кд определяется из выражения:
Кд = U J m ■ U, ,
где Un - амплитуда напряжения на нагрузке; ию - амплитуда напряжения несущей частоты; m -глубина модуляции.
Используя данные, полученные при расчетах переходных процессов, по формуле
Ua={Umax - Umjn )) определим амплитудные значения напряжения низкой частоты. Значения входного и выходного сигналов, а также коэффициент детектирования при постоянном значении глубины модуляции m, равном 0.3, заносим в табл. 1. Значения амплитуды несущей компоненты задаем равными 0.8В, 1.0В, 1.2В.
Таблица 1
,В £ Un, мВ Кд
0,8 73,304 0,305
1,0 108,422 0,361
1,2 143,541 0,399
Исследование зависимости коэффициента детектирования от глубины модуляции сигнала на входе детектора. Для источника VPWL_FILE подготовим три dat-файла с различными значениями глубины модуляции и, последовательно подключая их к источнику, рассмотрим переходные процессы для каждого случая (рис. 7).
0S 50US 100US 150US 200US 250US 300US
□ U(R3:2)
Tine
б)
Рис. 7. Форма выходного сигнала при различных значениях глубины модуляции: m = 0.4 (а), m = 0.2 (б)
Значения выходного сигнала, а также коэффициента детектирования и глубины модуляции зано-
сим в табл. 2.
_____________________________________________Таблица 2
m Un, мВ Кд
0.4 138,138 0,345
0.3 107,419 0,358
0.2 76,7 0,383
Исследование частотной характеристики детектора АМ-сигналов. Для оценки влияния частоты модуляции на работу АМ-детектора подготовим dat-файлы с различными значениями частоты модулирующего сигнала и, последовательно подключая их к источнику, рассчитаем переходные процессы для каждого случая (рис. 8). Для примера использованы величины 3, 15 кГц. Определим, как это отражается на выходном сигнале в узле 4.
Так как с увеличением частоты сигнала уменьшается полное сопротивление нагрузки за счет уменьшения сопротивлений конденсаторов С1, С2 переменному току, то падение напряжения на нагрузке так же уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента детектирования. Следует отметить, что данная модель не вполне соответствует реальному приемнику, т. к. здесь источник сигнала непосредственно связан с нагрузкой и изменение её полного сопротивления при измени частоты вызы-
вает изменение входного сигнала. Поэтому при выполнении работы не рекомендуется выходить за пределы диапазона 3.. .20 kHz.
a U (R3 :2 )
а)
□ U(R3:2)
Tine
б)
Рис. 8. Форма выходного сигнала при изменении частоты модуляции: F = 15 kHz (а), F = 3 kHz (б)
Исследование влияния величины нагрузки детектора на нелинейные искажения сигнала.
Выберем в качестве изменяемого параметра номинал резистора R2. Для оценки влияния резистора R2 на работу АМ-детектора следует изменять значение его номинала приблизительно от 500 Ом до 30 кОм и определить, как это отразится на форме сигнала после детектирования в узле 2 (рис. 9).
□ U(C1:2)
Рис. 9. Формы напряжения в узле 2 при различных значениях сопротивления резистора К2: 500 От (а), 30 кОт (б)
Если вывести на экран сигнал в узле 1, то легко убедиться, что при определенном значении Я2 выходной сигнал перестает отслеживать огибающую входного сигнала, т.к. конденсатор С1 не успевает разражаться через это сопротивление, т.е. сигнал искажается.
Исследование влияния температуры на процесс детектирования АМ-сигнала. В качестве примера проведем исследование для диапазона температур, ограниченного величинами - 20°С и + 40°С. Для расчета переходного процесса при различных температурах в панели Analysis Setup помимо пункта Transient следует активировать пункт Temperature (температура). В открывшемся окне достаточно через запятую указать значения температуры (в градусах Цельсия), при которых следует выполнить расчет.
Рис. 10. Выходное колебание АМ-детектора при вариации температуры (оС)
Активное сопротивление р-п-перехода снижается с ростом температуры [4], поэтому уровни (постоянная и переменная составляющие) продетекти-ровнного колебания несколько возрастают.
Анализ принципа работы автоматической регулировки усиления. Для изучения принципа работы АРУ следует, изменяя значение амплитуды источника, при постоянном коэффициенте модуляции (согласно ТЗ) по 3 - 4 точкам построить зависимость регулирующего напряжения в узле 3 от амплитуды несущей. Рекомендуемое время анализа 600мкс. Значения напряжения снимать при одном и том же значении времени, например, 500мкс.
Это связано с тем, что для полного заряда конденсатора в фильтре АРУ требуется довольно значительное время и проводить анализ в течение всего этого периода нет необходимости. Иллюстрации полученных результатов для двух значений несущих (0,8В, 1,5В) приведены на рис.11.
а)
□ U(С2:2)
Time
б)
Рис. 11. Временные зависимости регулирующего напряжения АРУ при вариации амплитуды колебания несущей частоты: Unes = 0.8в (а), Unes = 1.5в (б)
Заключение. Разработана процедура формирования источника АМ-колебания в информационной среде ОгСЛБ У9.Х. Проанализирована частотная характеристика детектора, исследовано влияние величины нагрузки детектора на нелинейные искажения, рассмотрен принцип автоматической регулировки усиления в радиоприемнике, проведена оценка влияние разделения нагрузки на форму выходного сигнала. В частности, результаты измерения, приведенные на рис. 9, наглядно свидетельствуют о том, что при нарушении условия В.И. Си-форова [5] появляются нелинейные искажения детектируемого сигнала. Физически это объясняется тем, что напряжение на конденсаторе С1 не успевает отслеживать закон изменения огибающей АМ-сигнала, поступающего на вход детектора. Отмечена закономерность изменения регулирующего напряжения АРУ от интенсивности несущего колебания. Наглядно проиллюстрировано влияние величины нагрузки детектора на интенсивность высокочастотной компоненты в выходном низкочастотном сигнале.
Воронежский государственный технический университет STUDYING OF PRINCIPLES OF WORK OF THE DETECTOR OF AM-SIGNALS BY MODELLING IN INFORMATION ORCAD V.9.X ENVIRONMENT A.I. Mushta, U.S. Balashov, S.E. Tarasov, A.V. Dykhno
In information environment OrCAD V.9.X are considered principles of work of detectors of the amplitude modulated fluctuations with use of personal computers
Key words: detecting, АМ-fluctuations, the information environment, the personal computer, formation of signals
Приведённые результаты иллюстрируют изящность метода схемотехнического моделирования для целей автоматизированного проектирования и оптимизации электронных средств, они могут быть полезными разработчикам электронных устройств, студентам вузов и других учебных заведений.
Литература
1. Строгонов А. Изучение принципов работы ЦАП и АЦП. - Компоненты и технологии, 207, № 11, с. 137143.
2. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). - М.: СК Пресс, 1996 -272с.
3. Антипенский Р. Моделирование источников аналоговых сигналов.-Современная электроника, 2007, №4, с. 46-49.
4. Морозова И.Г. Физика электронных приборов. -М.: Атомиздат, 1980 - 392 с.
5. Румянцев К.Е. Приём и обработка сигналов. Учебное пособие. М.: Академия, 2004 - 528 с.
