4. MĚŘENÍ NA SMĚŠOVAČI A MEZIFREKVENČNÍM FILTRU

Transkript

1 4. MĚŘENÍ NA SMĚŠOVAČI A MEZIFREKVENČNÍM FILTRU Cíl měření Seznámit se s vlastnostmi dvojitě vyváženého směšovače a stanovit: 1) spektrum výstupního signálu a vliv mezifrekvenčního filtru na tvar spektra, 2) přenosovou amplitudovou charakteristiku a šířku pásma mezifrekvenčního filtru, 3) citlivost směšovače na zrcadlový kmitočet, 4) výkonovou charakteristiku základního produktu a bod komprese, 5) výkonovou charakteristiku intermodulačního produktu a bod zahrazení. Přístrojové vybavení pracoviště Napájecí zdroj B2-12 Spektrální analyzátor Rohde&Schwarz FSP 3 zápis na FD! Rohde&Schwarz SML 01 Rohde&Schwarz SML 03 Slučovací člen Blokové schéma zapojení Napájecí zdroj f 1 7 až 9 V9V Měřený směšovač s mf. filtrem Spektrální analyzátor Obr. 1: Základní blokové schéma pro měření Napájecí zdroj f 1-3 db 7 až 9 V f 2 sluč. člen -3 db Měřený směšovač s mf. filtrem Spektrální analyzátor Obr. 2: Blokové schéma pro měření intermodulačních produktů 1/5 ZS ( )

2 Teoretický úvod V následujících odstavcích jsou stručně popsány výkonové charakteristiky a některé parametry směšovače. Důležitou charakteristikou směšovače je závislost výstupního výkonu základního produktu na vstupním výkonu (výkonová charakteristika základního produktu) uvedená na obr. 3. Výkony jsou udávány v dbm, tedy v db vztažených k výkonu 1mW. Uvažujme nejprve, že na vstupu obvodu působí pouze jeden harmonický signál. Je zřejmé, že při malém vstupním výkonu je závislost mezi výstupním a vstupním výkonem lineární. Při rostoucím vstupním výkonu se charakteristika začíná odchylovat od ideálního lineárního průběhu. Po dosažení určité hodnoty vstupního výkonu se s jeho dalším růstem výstupní výkon nemění. To znamená, že se obvod dostal do saturace. Další důležitou vlastností obvodu je dynamický rozsah (DR) při buzení směšovače jedním signálem. Směrem k vyšším výkonům je dynamický rozsah omezen bodem komprese P -1, tj. bodem kdy dojde k poklesu výkonu základní složky o 1 db oproti teoretickému lineárnímu průběhu. Pro malé výkony je dynamický rozsah určen tzv. minimálním detekovatelným výkonem (MDS), který je definován jako úroveň výkonu posunutého o 3 db nad úroveň šumového pozadí. Šumový výkon na výstupu směšovače je popsán vztahem P š = FkTBA, kde je F šumové číslo směšovače, k Boltzmannova konstanta, T absolutní teplota budícího zdroje, B propustná šířka pásma a A výkonové zesílení směšovače. P h výstupní výkon (dbm) základní produkt 1 db P -1 saturace SFD DR intermodulační produkt 3. řádu 3 db šumové pozadí vstupní výkon (dbm) Obr. 3: Závislost výstupního výkonu na vstupním výkonu Pokud na vstupu obvodu působí dva harmonické kmitočty f 1 a f 2, na výstupu získáme mimo základních produktů i intermodulační produkty, z nichž nejvýznamnější jsou produkty třetího řádu o kmitočtech f OSC ± (2f 1 ± f 2 ) a f OSC ± (2f 2 ± f 1 ), kde f OSC je kmitočet oscilátoru. Výkonová charakteristika intermodulačního produktu 3. řádu je zobrazena v grafu na obr. 3 jako přímka s trojnásobnou strmostí oproti základnímu produktu. Při velkých vstupních signálech však závislost již není lineární, neboť se obvod opět dostane do saturace. Důležitý je bod P h, tj. průsečík ideálních přímkových průběhů obou výkonových charakteristik (ideální 2/5 ZS ( )

3 charakteristiky jsou tečny ke skutečným charakteristikám). Tento bod se nazývá bod zahrazení intermodulačních produktů 3. řádu. Čím výše tento bod leží, tím menší úroveň budou mít tyto produkty na výstupu. Poznámky k měření Spektrální analyzátor umožňuje zápis na FD. Spektrální analyzátor a generátor SML 01 synchronizujte externě (EXT REF v menu SETUP) podle výstupu synchronizačního signálu generátoru SML 03. Pro spektrální analyzátor volíme detektor MAX PEAK (v menu TRACE DETECTOR). Zvolíme režim s průměrováním AVERAGE (v menu TRACE), počet průměrování SWEEP COUNT (v menu TRACE) nastavíme např. 5. Při měření produktů směšování ve výstupním signálu se můžeme setkat s rušením způsobeným vysíláním televize a frekvenčně modulovaného rozhlasu. Přípravek, jehož napájecí napětí smí být v rozmezí 7 až 9 V, obsahuje dvojitě vyvážený směšovač tvořený obvodem NE 602, interní oscilátor o kmitočtu f OSC v okolí 110 MHz a mezifrekvenční filtr 10,7 MHz. Funkci tohoto filtru je možné zapnout či vypnout přepínačem FILTR. Jelikož se výstupní napětí směšovače i kmitočet oscilátoru mění s teplotou a napětím napájecího zdroje, je potřeba provádět v průběhu celého měření kontrolu mf. signálu nastavením napájecího napětí přípravku tak, aby výsledný mf. produkt vznikl na kmitočtu 10,7 MHz. Kontrolu provádíme při vhodném nastavení spektrálního analyzátoru (např. FREQ 10,7 MHz, SPAN 1 MHz, BW filtr manuální 10 khz) a při vypnutém mf. filtru. Na vstup přípravku přivedeme signál z generátoru SML 01 (obr. 1). Kmitočet vstupního signálu zvolíme tak, aby mf. signál byl 10,7 MHz, tj. při volbě f OSC = 109,1 MHz musí být f 1 = 109,1-10,7 = 98,4 MHz. Výstupní úroveň generátoru nastavíme na 25 dbm. Na spektrálním analyzátoru lze přepínat dvě sady nastavení A a B: SCREEN A / SCREEN B. Je výhodné jednu sadu ponechat pro měření mf. produktu a druhou pro ostatní měření. Postup při měření K bodu 1) Na spektrálním analyzátoru (nastavení: FREQ 125 MHz, SPAN 250 MHz, BW filtr manuální 300 khz, detektor MAX PEAK, průměrování SWEEP COUNT 5) zobrazíme spektrum signálu na výstupu směšovače s vypnutým mf. filtrem. Kromě užitečné součtové a rozdílové složky se zde nachází i nežádoucí produkty: vstupní signál, signál oscilátoru a jeho vyšší harmonické a produkty vzniklé směšováním vstupního signálu a jeho harmonických složek s vyššími harmonickými signálu oscilátoru. Postupně snižujeme napětí generátoru tak, aby složky obsahující sudé násobky frekvence vstupního signálu (2k f 1 ) byly pod úrovní šumu zobrazovaného spektrálním analyzátorem. Při správné funkci dvojitě vyváženého směšovače takové produkty nevznikají. Všechny význačné produkty (nad úrovní šumu) změříme do kmitočtu 450 MHz. Při měření neměníme SPAN, měříme nejprve pro FREQ 125 MHz a poté pro FREQ 375 MHz, vždy pořídíme kopii obrazovky spektrálního analyzátoru. Měření provedeme nejprve s vypnutým a poté se zapnutým mf. filtrem, jehož funkcí je potlačit všechny složky mimo mf. produktu. Při zpracování úlohy určete potlačení jednotlivých složek mf. filtrem a přiložte kopie obrazovek naměřených spekter. 3/5 ZS ( )

4 K bodu 2) Při měření přenosové amplitudové charakteristiky a šířky pásma mf. filtru, je tedy nutné ho zapnout, využijeme možnosti režimu rozmítání generátoru SML 01 (MENU 1 Sweep Freq). Rozmítat budeme okolo kmitočtu 98,4 MHz (Center Freq) s rozkmitem 1 MHz (Span 2 MHz, dále nastavíme: Spacing Lin, Step Lin 1 khz, Dwell 10 ms, Mode Auto; vypnutí této funkce: Mode Off). Směšováním získáme rozlaďování mf. produktu okolo kmitočtu 10,7 MHz se stejným rozkmitem, tedy 1 MHz. Na spektrálním analyzátoru, nastaveném jako při kontrole přesnosti hodnoty frekvence mf. produktu, zařadíme navíc funkci vykreslování maximální hodnoty (v menu TRACE funkce MAX HOLD). Získáme tak požadovanou charakteristiku, kterou uložíme na disketu. Dále určíme šířku pásma při poklesu výstupního napětí o 3 db a o 6 db (lze využít funkce N DB DOWN v menu MKR FCTN, zadáme 3 resp. 6 db). Obě šířky pásma zaznamenejte a ke zpracování měření přiložte vytištěnou charakteristiku mf. filtru s vyznačenými šířkami pásma. K bodu 3) Spektrální analyzátor je nastaven jako při kontrole mf. signálu, mf. filtr vypneme. Jako zdroj vstupního signálu použijeme generátor SML 01, který nastavíme na zrcadlový kmitočet, režim rozmítání vyřadíme. Všimněte si, že i při zrcadlovém kmitočtu se na spektrálním analyzátoru objeví spektrální čára o mf. kmitočtu, i když s nižší amplitudou. Vidíme, že i v případě, kdy na přípravku zapneme mf. filtr, nelze zrcadlový signál potlačit. To způsobuje problém u superheterodynního přijímače. Má-li vstupní obvod přijímače malou selektivitu a vysílá-li některá stanice na zrcadlovém kmitočtu, může být znemožněn příjem naladěné stanice. K bodu 4) Při měření výkonové charakteristiky základního produktu vypneme mf. filtr, směšovač budíme signálem o frekvenci 98,4 MHz z generátoru SML 01 a změříme závislost výstupní úrovně mf. signálu na úrovni vstupního signálu. Na generátoru nejdříve nastavíme úroveň -45 dbm a postupně ji zvyšujeme po 5 db až na hodnotu -5 dbm. Úroveň nesmí překročit 5 dbm, mohlo by dojít ke zničení směšovače. Na spektrálním analyzátoru (nastaveném opět jako při kontrole přesnosti hodnoty frekvence mf. produktu) měříme úroveň mf. signálu v dbm. Naměřené hodnoty vyneste do grafu, ze kterého odečtete bod P -1. K bodu 5) Při měření výkonové charakteristiky intermodulačního produktu přivedeme na vstup směšovače dva signály blízkých kmitočtů. K tomu využijeme dvou generátorů (obr. 2), jejichž signály sloučíme ve slučovacím členu s průchozím útlumem 3 db. Na generátoru SML 01 ponecháme kmitočet f 1 = 98,4 MHz a výstupní úroveň nastavíme na 35 dbm. Pro druhý signál využijeme generátor SML-03, výstupní úroveň bude také 35 dbm, kmitočet však o 200 khz vyšší (f 2 = 98,6 MHz). Uvažujeme útlum slučovacího členu 3 db a pro rozsah hodnot obou vstupních výkonů 35 až 20 dbm nastavujeme na obou generátorech úrovně o 3 db větší ( 32 až 17 dbm). Výstupní úrovně obou generátorů postupně společně zvyšujeme po 3 db až na hodnotu maximálně 20 dbm ( 17 dbm). Na spektrálním analyzátoru měříme úroveň intermodulačního produktu 3. řádu v dbm (doporučujeme produkt, jehož kmitočet je nejbližší k hodnotě mf. kmitočtu). Po proměření charakteristiky snížíme výkon výstupního signálu obou generátorů na 35 dbm. Naměřené hodnoty vyneste do společného grafu obou výkonových charakteristik, sestrojte tečny a určete bod zahrazení P h. 4/5 ZS ( )

5 Na obr. 4 jsou závislosti výstupního výkonu základního a intermodulačního produktu 3. řádu na vstupním výkonu, jak je udává výrobce obvodu NE 602. RF1 a RF2 jsou vstupní signály, IF je mezifrekvenční signál. výstupní výkon (dbm) základní produkt intermodulační produkt 3. řádu vstupní výkon (dbm) Obr. 4: Výkonové charakteristiky obvodu NE 602 Domácí příprava Pro měření bodu 1 si připravte tabulku produktů směšování signálů o f 1 = 98,4 MHz a f OSC = 109,1 MHz. Uvažujte produkty k f 1, k f OSC, k f OSC ± f 1, k f 1 ± f OSC pro k = 1,2,3,4 s frekvencemi do 450 MHz. Produkty seřaďte vzestupně podle hodnoty frekvence. Pro měření bodu 3 vypočítejte zrcadlový kmitočet. Pro měření bodu 5 nalezněte intermodulační produkt třetího řádu s nejbližší hodnotou frekvence k hodnotě frekvence mf. produktu (10,7 MHz). Hodnoty kmitočtů jsou: f 1 = 98,4 MHz, f 2 = 98,6 MHz a f OSC = 109,1 MHz. Upozornění: Bez domácí přípravy vypracované v sešitě nebude povoleno zahájení měření. 5/5 ZS ( )