Для осуществления неискаженной модуляции необходимо, чтобы форма огибающей модулированных высокочастотных колебаний возможно точнее воспроизводила форму низкочастотных колебаний информации. Качественные показатели модуляции характеризуют модуляционные характеристики, статические и динамические. Статические модуляционные характеристики либо рассчитывают, используя статические характеристики лампы, либо снимают по точкам в отсутствие модулирующего напряжения. При модуляции генератор должен работать на линейном участке статической модуляционной характеристики, которая здесь представляет собой зависимость первой гармоники анодного тока от модулирующего напряжения. Однако, выполнение этого требования недостаточно, поскольку в реальных условиях модуляция осуществляется широким спектром частот сигнала информации, поэтому для суждения о качестве модуляции необходимы также динамические характеристики, амплитудная и частотная. Амплитудная динамическая модуляционная характеристика представляет собой зависимость глубины модуляции m от модулирующего напряжения при постоянной модулирующей частоте F. Частотной динамической модуляционной характеристикой является зависимость глубины модуляции m от модулирующей частоты F при постоянной амплитуде модулирующего напряжения. На нижних модулирующих частотах на форму этой характеристики влияет только модулятор, представляющий собой широкополосный усилитель низкой частоты. Причиной искажений на верхних модулирующих частотах может быть как модулятор, так и генератор - из-за неправильно выбранных блокировочных элементов в его схеме, а также из-за неточной настройки его анодного контура.
Построим две статические модуляционные характеристики. Как было сказано выше, статической характеристикой является зависимость первой гармоники коллекторного тока от напряжения смещения U0.
1) I1 = f(U0)
При этом UmW = 0, Umw = const
Пусть Umw1 = 0,15 В.
Рис. 1 Исследование зависимости тока первой гармоники от напряжения смещения при Umw1 = 0,15 В.
Постепенно изменяя напряжение U0, будем записывать значения амплитуды первой гармоники спектра тока. Далее для наглядности полученные значения отобразим в виде графика.
Рис. 2 Статическая модуляционная характеристика при Umw1 = 0,15 В.
Как видим, данная характеристика имеет нижний и верхний изгибы. Они появляются из-за нелинейности статических характеристик нелинейного элемента (транзистора). Однако на основном рабочем участке статические модуляционные характеристики практически прямолинейны.
2) Теперь проделаем тоже самое, только на этот раз зададим Umw2 = 0,2 В.
Рис. 3 Исследование зависимости тока первой гармоники от напряжения смещения при Umw2 = 0,2 В.
Заметим, что для построения характеристики нужно, чтобы рабочая точка в исходном режиме находилась левее начала характеристики. При этом транзистор оказывается закрытым, и, соответственно, в цепи коллектора ток не протекает. Таким образом, можно определить начало линейного участка статической модуляционной характеристики.
Итак, аналогично предыдущему пункту работы, построим модуляционную характеристику.
Рис. 4 Статическая модуляционная характеристика при Umw2 = 0,2 В.
Отобразим обе полученные характеристики на одном графике для сравнения.
Рис. 5 Полученные статические модуляционные характеристики
Как видим, при увеличении амплитуды входного ВЧ-колебания модуляционная характеристика смещается “вверх”. Это можно легко объяснить. В начальный момент времени оба транзистора закрыты – ток не течет. Однако, при постепенном увеличении смещения U0 чем выше амплитуда колебания, тем раньше оно “дойдет” до Uнач (в нашем случае равного 0,4 В), т.е. тем раньше откроется транзистор. Соответственно и прохождение нелинейного участка ВАХ потребует большего напряжения смещения при большей амплитуде колебания. Поэтому и характеристика сместится вверх.
Теперь, когда мы получили статические модуляционные характеристики, снимем динамические характеристики.
Динамические характеристики могут быть амплитудные и частотные. Динамической амплитудной характеристикой (динамической модуляционной характеристикой) называется зависимость коэффициента модуляции М от амплитуды модулирующего напряжения UmW.
Частотной модуляционной характеристикой называется зависимость коэффициента модуляции М от модулирующей частоты Ω при постоянной амплитуде модулирующего сигнала UmW.
Мы ограничимся рассмотрением только динамической модуляционной характеристики M = f(UmW) при U0 = const; Umw = const.
1) Umw1 = 0,15 В.
Выберем на линейном участке соответствующей статической модуляционной характеристики среднюю точку. Для нашего случая она будет равна
U01 = 0,4 В
Установив заданные параметры будем менять амплитуду НЧ-колебания UmW. При этом запишем значения центральной и боковых составляющих первой гармоники спектра для того, чтобы в дальнейшем можно было вычислить коэффициент модуляции.
Рис. 6 Исследование зависимости коэффициента модуляции от амплитуды UmW
Далее для каждого случая посчитаем коэффициент модуляции и составим график, отражающий зависимость коэффициента модуляции от амплитуды приложенного НЧ-колебания – динамическую модуляционную характеристику.
Приведем пример расчета коэффициента модуляции для одного случая. Рассмотрим методику, описанную в примере 11.4 учебника С.И. Баскакова. Запишем исходные данные:
Uнач = 0,4 В;
U0 = 0.4 В;
Umw = 0,15 В;
UmW = 0.1 В.
В соответствии с исходными данными рабочая точка перемещается в пределах от U0 + UmW = 0,5 В до U0 + UmW = 0,3 В.
Найдем предельные значения угла отсечки:
Θmax = arcos((0.4-0.5)/0.15) = 2.3 рад.
Θmin = arcos((0.4-0.3)/0.15) = 0.841 рад.
Амплитуда первой гармоники пропорциональна функции Берга, которая изменяется в пределах от
γ1(Θmax) = (1/ π) * (Θmax - sin Θmax * cos Θmax) = 0.89
до
γ1(Θmin) = (1/ π) * (Θmin - sin Θmin * cos Θmin) = 0.109
Тогда коэффициент модуляции равен:
M = (I1max - I1min)/ (I1max + I1min) = (0.89 - 0.109)/(0.89 + 0.109) = 0.781
Также коэффициент модуляции можно вычислить, зная амплитуды центральной и боковых составляющих гармоник спектра.
Нам известно, что амплитуда боковых составляющих равна M*A0/2, где
А0 – амплитуда центральной составляющей.
Как видно из рисунка 6, амплитуда А0 = 0,0781 А, а амплитуда боковых составляющих равна 0,03134 А.
Отсюда находим коэффициент модуляции М ≈ 0,8.
Мы получили незначительную разницу в результатах вычислений, обусловленную погрешностью при измерении амплитуд составляющих спектра. Далее будем использовать, как и рекомендовано по заданию методику вычисления по Баскакову, как более точный алгоритм. Для проверки можно дополнительно вычислять коэффициент модуляции по второй методике.
Построим динамическую модуляционную характеристику для первого случая.
Рис. 7 Динамическая модуляционная характеристика при Umw1 = 0,15 В, U01 = 0,4 В
Как видим, у полученной характеристики, начиная с некоторых значений UmW коэффициент модуляции перестает увеличиваться. В идеальном же случае характеристика монотонно уходила бы в область больших значений коэффициента модуляции.
Также отметим, что на характеристике имеется линейный участок, на котором коэффициент модуляции изменяется линейно, соответственно.
Точка, где коэффициент модуляции примерно равен единице соответствует напряжению UmW ≈ 0,15 В.
2) Umw2 = 0,2 В.
Выберем на линейном участке соответствующей статической модуляционной характеристики среднюю точку. Для нашего случая она будет равна
U02 = 0,39 В
Аналогично методике предыдущего пункта построим динамическую модуляционную характеристику для данного случая.
Рис. 8 Исследование зависимости коэффициента модуляции от амплитуды UmW
Рис. 9 Динамическая модуляционная характеристика при Umw2 = 0,2 В, U02 = 0,39 В
Для ситуации, изображенной на рис. 8:
Коэффициент модуляции M = 1.126
По рисунку 9 видим, что значение модулирующего напряжения, при котором М = 1 соответствует UmW ≈ 0,17 В.
Для сравнения полученных характеристик изобразим оба графика на одной плоскости:
Рис. 10 Полученные динамические модуляционные характеристики
Таким образом, исходя из анализа графика, можно сделать вывод о том, что с увеличением несущего напряжения Umw крутизна динамической модуляционной характеристики падает.