AS Praktikum M.Scheffler, C.Koegst, R.Völz Amplitudenmodulation mit einer Transistorschaltung EINFÜHRUNG VERSUCHSDURCHFÜHRUNG...

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1 - 1 Inhaltsverzeichnis 1. EINFÜHRUNG BESTIMMUNG DES MODULATIONSGRADS Synchronisation auf die Modulationsfrequenz Synchronisation auf die Trägerfrequenz Das Modulationstrapez SCHALTUNGSAUFBAU UND BESCHREIBUNG VERSUCHSDURCHFÜHRUNG MESSUNG DER ÜBERTRAGUNGSKENNLINIE IC = F(UB3) EINSTELLEN UND ABGLEICHEN DER SCHALTUNG Abgleichvorschriften MESSUNG DER STATISCHEN UND DYNAMISCHEN MODULATIONSKENNLINIE Statische Modulationskennlinie Dynamische Modulationskennlinie MESSUNG DER OBERSCHWINGUNGUNTERDRÜCKUNG DURCH DAS COLLINSFILTER FRAGEN ZUR AMPLITUDENMODULATION...17

2 1. Einführung AS Praktikum - 2 Durch die Beeinflussung der Amplitude einer Trägerschwingung von einem zeitvarianten Signal her erfolgt eine Amplitudenmodulation. Bei der Amplitudenmodulation findet eine Umsetzung der zu übertragenden Nachricht vom niederfrequenten Signalfrequenzbereich (Basisband) in den höherfrequenten Trägerfrequenzbereich statt. Es treten dabei neue Frequenzkomponenten auf, die sich aus dem Produkt von modulierendem Signal und Trägerschwingung ergeben. Die zu modulierende Signalschwingung u S (t), überlagert auf eine Gleichspannung 0 U (Vorspannung zur Einstellung des Arbeitspunktes), und die Trägerschwingung u T (t), deren Frequenz meist viel höher liegt als die der Signalschwingung, werden einem Amplitudenmodulator zugeführt, an dessen Ausgang das Modulationsprodukt erscheint: () = () = ( + ) () u t u t u U u t M AM St 0 T In Bild 1 ist das Prinzip dieser Modulation dargestellt. 1 u! T S AM () + 0 um() t = uam() t u t U ut () t Bild 1: Blockschaltbild einer Modulation

3 - 3 Das modulierte Signal am Ausgang hat dann den in Bild 2 dargestellten zeitlichen Verlauf. Bild 2: Zeitlicher Verlauf des modulierten Ausgangssignals Dieser Verlauf wird durch folgende Gleichung beschrieben: u ( t) = u (1+ mcos( ω t)cos( Ω t) AM T m Bestimmung des Modulationsgrads Das Maß aller Dinge ist hierbei der sogenannte Modulationsgrad m, der im Verlauf des Praktikums auf verschiedene Art bestimmt und verglichen werden soll. y y MAX MIN m = y MAX + y MIN Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um den Modulationsgrad Oszilloskop zu bestimmen. m mit dem

4 Synchronisation auf die Modulationsfrequenz Das Schirmbild des Oszilloskops zeigt das modulierende Signal als synchronisierte Frequenz. m = 0: Der Träger ist unmoduliert m = 1: Der Träger ist 100% moduliert m > 1 bedeutet Übermodulation und führt zu Modulationsverzerrungen Synchronisation auf die Trägerfrequenz Das Schirmbild des Oszilloskops zeigt die Trägerschwingung als synchronisierte Frequenz. Die Trägeramplitude schwankt im Takt des modulierenden Signals zwischen dem Maximalwert ytmax und dem Minimalwert ytmin hin und her Das Modulationstrapez Zur Abbildung des Modulationstrapezes wird die X-Ablenkung des Oszilloskops mit dem Modulationssignal und die Y-Ablenkung mit dem modulierten Trägersignal angesteuert. Die Schrägseiten des Trapezes geben die Abhängigkeit des Modulationsgrades m von der Modulationsspannung wieder (Modulationskennlinie). Um eine möglichst verzerrungsarme Modulation zu erzielen, sollen sie weitgehend linear sein. Ellipsenförmige Verzeichnungen der Schrägseiten kommen durch eine Phasenverschiebung zwischen modulierter Trägerspannung und der Modulationsspannung zustande. Sie können durch eine Phasenschieberschaltung (RC-Glied) beseitigt werden. Bild 3: Verschiedene Möglichkeiten den Modulationsgrad mit dem Oszilloskop zu bestimmen.

5 Schaltungsaufbau und Beschreibung L T =20 µ H L C U B2 =5V C T C K C 1 C 2 R L V U L C T =47 nf R B =2,7K Ω C A HF L E =1mH U B1 =30V C A C A V U B3 Bild 4: Schaltungsaufbau Amplitudenmodulation mit Transistoren Das zu modulierende Signal wird über MP1 in die Schaltung eingespeist. Die Spannung UB3 Vorspannung und dient zur Einstellung des Arbeitspunktes für die Knickkennlinie. Bei der Anordnung der Transistoren handelt es sich um eine Kaskodenschaltung. Dabei bildet eine Emitterstufe (BC109) mit einer Basisschaltung (BD241) eine Reihenschaltung. da der Emitteranschluß des oberen Transistors einen sehr geringen Eingangswiderstand besitzt und dieser als Lastwiderstand des unteren Transistors anzusehen ist, ergibt sich für die Emitterschaltung ein Verstärkung von -1. Auf diese Weise wird der Miller-Effekt (Rückwirkung des Ausgangs auf den Eingang bei hohen Frequenzen durch die Kollektor-Basis-Kapazität) verringert. Die Vorspannung wird so eingestellt, dass die Schaltung als C-Verstärker arbeitet. Die Eingangskapazität steigt mit zunehmender Spannungsverstärkung an. Hieraus ergibt sich bei der Emitterschaltung, zusammen mit dem Basisvorwiderstand R B, ein Tiefpaß und damit eine relativ geringe Bandbreite der Emitterschaltung. Der hohe Ausgangswiderstand der Basisschaltung sorgt für eine Entkopplung vom Tankkreis. Das Collins-Filter sorgt für die Anpassung des Tankkreises an die Last und für die Unterdrückung der Oberwellen des Senders. Es muss eine Anpassung des hochohmigen Generatorwiderstandes des Senders (einige k Ω ) an den im vergleich niederohmigen Antennenwiderstand (75 Ω ) stattfinden.

6 Versuchsdurchführung 2.1 Messung der Übertragungskennlinie IC = f(ub3) Zunächst muss die Übertragungskennlinie des nichtlinearen Systems aufgenommen werden. Die Spannung UB3 variiert und der Ausgangsstrom wird gemessen. Die HF- und die NF-Spannung auf 0V gelegt. Durch Anlegen einer Tangente an die idealisierte Knickkennlinie erhält man den Schnittpunkt mit der x-achse, welcher dann unsere Arbeitspunkt ergibt. Knickkennlinie Diodenspannung [ma] ,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,73 0,74 0,75 Vorspannung [V] Bild 5: Übertragungskennlinie IC = f(ub3) An dem Schnittpunkt vontangente und X-Achse lässt sich die für die weiteren Messungen benötigte Vorspannung von UB3=0,655 V ablesen.

7 Einstellen und abgleichen der Schaltung Mit dem Smith-Diagramm wird die Frequenz bestimmt, bei der das Filter einen rein ohmschen Eingangswiderstand aufweist. Die HF-Frequenz hängt vom Collins-Filter ab. Bild 6: Smith-Diagramm Aus dem Smith-Diagramm wird folgende HF-Frequenz bestimmt: FHF = 982,25 khz

8 - 8 Das Collins-Filter hat bis auf einen geringen Blindanteil von 1,3 Ω einen rein ohmschen Widerstand von: R = 186,35 Ω Rechnerischer Nachweis: u ˆ a ua u e = = u" a ( m= 1) u" a( m= 1) = UB1 UB2 = 30V 5V = 25 V u" a ( m= 0) = 2 U e = 12, 5 V u" a ( m= 0) 12, 5V = = = 4, 419 V UL = PL RL = 100 mw 50Ω = 2, 236 V U U L e R L = Ra Ra U e = RL = U 4, 419 V 50Ω = 195, 31Ω 2, 236V L Abgleichvorschriften!"Arbeitspunkt einstellen UB3 (siehe 2.1)!"Collins-Filter vom Tankkreis trennen!"hf-spannung einspeisen (mit dem Osziiloskop Ua beobachten)!"hf-spannung so eingestellt, dass der Ausgang noch nicht durch die Schaltung begrenzt wird!"kondensator des Tankkreises so eingestellt, dass die Ausgangsspannung maximal wird; Tankkreis ist abgeglichen und ist in Resonanz Damit man die Amplitude der HF-Spannung ermitteln kann muss im unmodulierten Zustand die Schaltung an einem Lastwiderstand von RL=50 Ω eine Leistung von PL= 100mW abgeben. Dies ist der Fall bei einer Spannung von: UL = PL RL = 100 mw 50Ω = 2, 236 V damit ergibt sich eine Amplitude von UHF= 279mV.

9 Messung der statischen und dynamischen Modulationskennlinie Statische Modulationskennlinie Die statische Modulationskannlinie beschreibt die Abhängigkeit der Trägeramplitude am Ausgang des Modulators und damit der Ausgangsspannung U L von der variablen Gleichspannung U B3 bei konstanter Trägeramplitude und einer Modulationsspannung U NF = 0. Die Modulationskennlinie wird jetzt an verschiedenen Punkten durch den Träger ausgesteuert. Am Ausgang des Modulators treten nur die Trägerfrequenzen und deren Vielfachen auf. Der Verlauf der statische Modulationskannlinie ist abhängig von der Krümmung der nichtlinearen Modulationskennlinie und der Amplitude der Ausgesteuerten Trägerspannung. Statische Modulationskennlinie Ausgangsspannung [V] 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44 0,46 0,48 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,74 0,76 Vorspannung [V] Bild 7: Statische Modulationskannlinie

10 Dynamische Modulationskennlinie Zur Aufnahme der dynamischen Modulationskennlinie muß der Arbeitspunkt auf der statischen Modulationskennlinie durch eine feste Vorspannung festgelegt werden. Der Arbeitspunkt wird in den Symmetriepunkt der statischen Modulationskennlinie gelegt.die dynamische Modulationskennlinie stellt die Abhängigkeit des Modulationsgrades von der Modulationsspannungsamplitude am eingang dar Synchronisation auf die Modulationsfrequenz Bei der Synchronisation auf die Modulationsfrequenz wird das Ausgangssignal am Collins-Filter (U L ) auf dem Oszilloskop dargestellt. Das Oszilloskop wird mit der Modulationsspannung U NF getriggert. Dynamische Modulationskennlinie Synchronisation auf die Modulationsfrequenz 0,9 0,8 0,7 Modulationsgrad 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, NF-Spannung[mV] Bild 8: Dynamische Modulationskennlinie mit Synchronisation auf die Modulationsfrequenz

11 - 11 Bild 9: Oszilloskopbild: Moduliertes Signal; extern über NF-Signal getriggert CH1: 1V :200µs; bei NF-Amplitude 70mV

12 Synchronisation auf die Trägerfrequenz Bei der Synchronisation auf die Trägerfrequenz wird das Ausgangssignal am Collins- Filter (U L ) auf dem Oszilloskop dargestellt. Das Oszilloskop wird mit der Trägerfrequenzspannung U HF getriggert. Dynamische Modulationskennlinie Synchronisation auf die Trägerfrequenz 0,9 0,8 0,7 Modulationsgrad 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, HF-Spannung[mV] Bild 10: Dynamische Modulationskennlinie mit Synchronisation auf die Trägerfrequenz

13 - 13 Bild 11: Oszilloskopbild: Moduliertes Signal; extern über HF-Signal getriggert CH1: 1V :100ns; bei HF-Amplitude 70mV Das Modulationstrapez Zur Abbildung des Modulationstrapezes wird die X-Ablenkung des Oszilloskops mit dem Modulationssignal und die Y-Ablenkung mit dem modulierten Trägersignal angesteuert Bild 12: Modulationstrapeze mit verschiedenen Modulationsgraden

14 - 14 Bild 13: Oszilloskopbild: Y - Ablenkung = AM Signal; X - Ablenkung = NF Signal XY-Betrieb: CH1: 20mV; CH2: 2V; bei NF-Amplitude 200mV Die Trapezmessung ermöglicht nicht nur die Bestimmung des Modulationsgrades sondern auch eine Aussage über die Linearität der Modulation. Bei einem nichtlinearen Verlauf der Trapezschrägen liegt eine nichtlineare Modulation Ergebnisse zur dynamischen Modulationskennlinie Entsprechend dem Verlauf der statischen Modulationskennlinie steigt die dynamische Modulationskennlinie bei kleiner Amplitude zunächst weitgehend linear an. Bei größerer Aussteuerung bewirkt der stärker gekrümmte Bereich der statischen Modulationskennlinie auch eine größere Verzerrung der dynamische Modulationskennlinie.

15 Messung der Oberschwingungunterdrückung durch das Collinsfilter Es soll die Unterdrückung der Vielfachen der HF-Frequenz gemessen und untersucht werden. Hierzu wird das HF-Signal mit der Amplitude UHF= 279mV eingespeist, die NF-Spannung wird auf 0V gelegt und das Ausgangsspektrum vor und hinter dem Collins-Filter mit einem Spektrumanalysator untersucht. U e C K C 1 C 2 R L U L Bild 14: Abbildung des Collinsfilters Frequenz vor Collins- Filter hinter Collins- Filter Differenz 982,25 khz 25 db 8,4 db 14,9 db 1964,50 khz -10 db -29,4 db 18,3 db 2946,75 khz -31 db -55 db 21,7 db Bild 15: Messergebnisse der Oberwellenunterdrückung durch das Collinsfilter Das Collins-Filter dämpft die 1Oberschwingung um ca. 14,9 db. Das Collins-Filter dämpft die 2Oberschwingung um ca. 18,3 db Das Collins-Filter dämpft die 3Oberschwingung um ca. 21,7 db Diese Werte können auch im Ausdruck der folgenden Seite ermittelt werden. (rotes Spektrum vor Collinsfilter; grünes Spektrum hinter Collinsfilter.

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17 Fragen zur Amplitudenmodulation 1. Siehe Einführung Punkt 1.1 Schaltungsaufbau und Beschreibung! 2. Siehe nächste Seite (Handskizze) 3. Siehe nächste Seite (Handskizze) 4. Ermitteln der Kollektorspannung uˆ at 1 uˆ 2 f + f f v = HF NF HF = HF fhf fhf + fnf uˆ a = 1+ uˆ at ( Qv) 2 B u = u u c B1 a daraus folgt: bei m=1 Uc=29,803V bei m=0 Uc=29,803V 5. Siehe nächste Seite (Handskizze) 6. Der Modulationsgrad wird durch die Übertragungsfunktion des Tankkreises beeinflusst, d.h. je schmalbandiger der Tankkreis proportioniert desto größer ist der Einfluss auf den Modulationsgrad. Je höher die NF desto größer ist die Verstimmung; daraus folgt um so größer wird auch die Dämpfung. 7. Die Vorspannung U B3 muß auf die Schwellspannung U S der Knickkennlinie eingestellt werden, um einen Modulationsbereich von m=0 an m=1 zu gewährleisten. Bei idealen Verhältnissen ist die Schwellspannung U S die Mitte des idealen Bereiches der statischen Modulationskennlinie. Somit wird eine verzerrungsfreie Modulation gewährleistet.