INF1411 Obligatorisk oppgave nr. 5

Transkript

1 INF1411 Obligatorisk oppgave nr. 5 Fyll inn navn på alle som leverer sammen, 2 per gruppe (1 eller 3 i unntakstilfeller): Informasjon og orientering I denne prosjektoppgaven skal du bygge en AM radiomottaker. Oppgaven vil først ta for seg de enkelte delkretsene hver for seg. Til slutt skal dere koble opp en større krets hvor de tidligere delkretsene er inneholdt. Dere bør derfor ta i bruk et eksternt koblingsbrett slik at dere kan legge prosjektet til side uten å okkupere plass på ELVIS brettet. Det står kort om disse i veiledningen. Alle obligatoriske oppgaver ved IFI skal følge instituttets reglement for slike oppgaver. Det forutsettes at du gjør deg kjent med innholdet i reglementet og at besvarelsen er i henhold til dette. Reglementet finner du på Du kan levere håndskrevet besvarelse (med feltene fra denne oppgaven innfylt), eller du kan fylle inn feltene med et tekstbehandlingsprogram og levere på mail. Figurer/plott må da også være en del av dokumentet du leverer som besvarelse. Se nettsida til kurset for innleveringsfrist x 10-5 Figur 1. AM modulert signal. Venstre: Modulasjonsgrad m = 100 %. Høyre: modulasjonsgrad m = 50 % Side: 1/9

2 Oppgave 1 - Amplitude modulasjon (AM) Amplitudemodulasjon er en teknikk for å sende et signal, for eksempel en tone ( ), gjennom en bærebølge ( ) ). M er her det maksimale utslaget til signalet som skal sendes og A er amplituden til bærebølgen. Bærebølgen har gjerne mye større frekvens enn signalet som skal sendes ( ). Amplituden til bærebølgen varieres (moduleres) i henhold til signalet som skal sendes: Et eksempel på et amplitudemodulert signal kan sees i Figur 1 på forrige side. Modulasjonsgraden er 100 % for venstre del av figuren. Det vil si at amplituden til bærebølgen varierer 100 prosent over og under det umodulerte nivået. Modulasjonsgraden kan også finnes som i uttrykket over. Fordeler med AM signaler er at de er enkle å jobbe med, og det er ofte billig å lage både modulator og demodulator. Ulemper er blant annet at man bare kan sende mono-signaler og teoretisk maksimum ytelse av effekt er omlag 33 %. For å bli litt kjent med signalene vi skal jobbe med i denne laben, skal vi gjenskape et modulert signal slik som i Figur 1. Koble oscilloskopet til FGEN utgangen og koble utgangen til den eksterne signalgeneratoren til AM på funksjonsgeneratoren til ELVIS. Les veiledningen for bedre forklaring. Start en sinusbølge fra FGEN med frekvens på 1MHz og amplitude på 0.5V. Start en sinus bølge på den eksterne signalgeneratoren med frekvens på 1KHz og amplitude på 2V. Det kan være vanskelig å få opp et tydelig bilde på oscilloskopet, så ta utgangspunkt i følgende oppsett. Trykk på Autoscale, sett Coupling til AC og Time/Div til 500us. Juster så selv for å få best mulig bilde. Ta et bilde av oscilloskopvinduet og legg ved bildet i rapporten på eget ark (bakerst) og merk arket oppgave 1. Hvilken modulasjonsgrad vil du si at signalet har? Modulasjonsgrad m = % Eksperimenter litt på egen hånd med forskjellige frekvenser og amplituder under 5V. Hvorfor bør frekvensen til bærebølgen, ( ), være mye større enn frekvensen til signalet, ( ), vi skal sende? ( Hint: Det er mange grunner til dette, men dere kan godt vente med å svare på dette til dere har kommet litt lenger i oppgaven. Det kan hende dere får noen hint underveis. ) Side: 2/9

3 Oppgave 2 - Resonator og resonans V I V O L C_var Figur 2. Parallell LC krets (Resonator) En parallell LC-resonator, slik som vist i Figur 2, er en veldig sentral del i oppbygningen av vår radiomottaker. Når vi skal motta et AM-modulert signal, trenger vi en resonator (tuner) som plukker opp kun det signalet vi vil ha og filtrerer bort alle andre signaler og støy til jord. Resonansfrekvensen til kretsen er gitt ved Bruk en spole med verdien 470µH og en variabel kondensatoren på 6-50pF for å koble opp kretsen i Figur 2. Regn ut hvilken verdi C VAR må ha for at kretsen skal ha en resonansfrekvens på 1MHz. C VAR = Sett så en motstand (potmeter) på 10K i serie mot. Dere vil nå ha en spenningsdeling mellom potmeteret og LC-kretsen. Koble den andre enden av potmeteret til FGEN og sett på et sinussignal med frekvens på 1MHz og amplitude på 2V. Sett opp oscilloskopet slik at du kan følge med på. Still in potmeteret på ca. 5KΩ. Sett gjerne probe på oscilloskopet til 10x for lettere å se variasjonen i amplitude. Juster den variable kondensatoren samtidig som dere ser på utgangssignalet, slik at signalet ut har størst mulig amplitude. Hvorfor øker spenningen over LC-kretsen når dere nærmer dere resonans? Side: 3/9

4 Dere har nå stilt inn resonansfrekvens til 1 MHz. Ved resonans vil impedansen til kretsen være på sitt maksimum og følgelig vil også spenning over den være det. Gitt reaktansene og. Løs likningen for. Stemmer det overens med formelen gitt for resonans? Finn den komplekse impedansen til LC-kretsen når vi antar at den ikke har motstandsledd R. Dvs. vi har impedansen for spolen, og impedansen for kondensatoren. Du skal altså regne ut. Prøv å få svaret på formen: hvor A og B er vilkårlige uttrykk av ω, L og C. Hva skjer med Z eq når? Side: 4/9

5 Oppgave 3 Demodulator D1 BAT81 V I V O R C Demodulatoren i figur 3 vil gi ut et signal som varierer i henhold til amplituden på et AM-modulert signal på inngangen. Dioden leder godt når den får en positiv spenning (høyere enn forward voltage ), i foroverretning. Dioden fungerer da som en positiv likeretter. Kondensatoren lades raskt opp når inngangsignalet er positivt og når det er negativt lades den sakte ut gjennom motstanden. Hvis vi velger størrelsene på RC leddet riktig vil den høyfrekvente bærebølgen bli filtrert bort, mens vi beholder det modulerte signalet. For å få til dette bør forholdet mellom båndbredden til signalet vi sender ( ), knekkfrekvensen til RC leddet (f d ) og frekvensen til bærebølgen (f b ) tilfredsstille: Figur 3. Demodulator (Envelope detector) Velg en verdi for R (over 10K) og C gitt 100KHz. Gå ut i fra at er om lag 10KHz. Velg tilgjengelige komponentene som har nærmest verdi til utregningene dine. Regn deretter ut presist hva blir. R = C = = Koble sammen kretsen i figur 3 med dine valgte komponenter. Bruk schottkydioden BAT81. Sett opp et AM-modulert signal slik vi gjorde i oppgave 1 med samme frekvens og amplitude. Koble FGEN til på kretsen. Sett utgangen til en av oscilloskopinngangene. Hvilken frekvens (f) og amplitude(a) har signalet på utgangen? A = f = Side: 5/9

6 Oppgave 4 Radiomottaker I denne oppgaven bør dere ta i bruk de små koblingsbrettene. Vi skal nå bygge en AMradiomottaker. Vi begynner med å overføre rene sinus toner og spille av dette på høyttaler eller hodetelefoner. Antenne AM-signal L1 330uH L2 470uH C_var D1 BAT81 R1 40K C1 330p +5 Volt +5 Volt + 1kΩ 3.3kΩ C4 0.1uF - MCP6004 R2 10kΩ C2 1uF C3 10nF V UT Til effektforsterker R3 2.2kΩ Høypassfilter Lavpassfilter og høytaler Forsterker Figur 4. AM-mottaker. I figur 4 ser dere kretsen for AM-mottakeren. I den første delen mottar vi over en induktiv kobling. Det varierende elektromagnetiske feltet i spolen L1 helt til venstre induserer en strøm i L2. I den mottakende LC-resonatoren blir spenningen høy når signalet er i nærheten av resonansfrekvensen. Deretter blir signalet demodulert av diode-detektoren og sendt videre til lydkretsen som kan drive en høyttaler eller hodetelefoner. Den nederste delen av kretsen er nesten identisk med den dere satt sammen i lab 4. Vi har bare jordet referansepunktet og flyttet på høypassfilteret. Sett sammen den nederste delen av kretsen. Sett på en 0.1µF kondensator på + inngangen til operasjonsforsterkeren i serie med en lydkilde. Hvis dere vil bruke hodetelefoner i stedet for, burde dere bytte ut størrelsen til potmeteret på utgangen til operasjonsforsterkeren med en på 100KΩ. Prøv å få så god kvalitet som mulig på lyden. Vi trenger denne delen av kretsen til å fungere gjennom resten av laben så det er lurt å gjøre en god jobb her. Side: 6/9

7 Fjern lydkilden og kondensatoren på inngangen til operasjonsforsterkeren og sett sammen resten av kretsen. Dere trenger ikke å koble til antenne før neste oppgave. Sett de to spolene i lik orientering mot hverandre. Det elektromagnetiske feltet er veldig svakt, så de må være innen millimeter fra hverandre. Spør labveileder om dere er usikre. Sett på et AM-modulert signal (som i oppgave 1) til spolen L1. Koble oscilloskopet til noden ved antennen. Juster den variable kondensatoren til dere får maksimum amplitude over LCresonatoren. Koble deretter den andre kanalen på oscilloskopet til utgangen fra demodulatoren (etter dioden). Dere skal finne igjen signalet på 1KHz her. Tilkoblingen fra oscilloskopet har en kapasitans som påvirker den følsomme LC-mottakeren. Det kan derfor hende at det demodulerte signalet blir en del svakere når dere fjerner tilkoblingen fra oscilloskopet til LC-kretsen. Fjern nå oscilloskoptilkoblingen nær antennen og bruk målepunktet etter dioden til å justere kondensatoren på ny, slik at det demodulerte signalet blir sterkest mulig. Sett på høyttaler eller hodetelefon. Hvis dere hører en klar lys tone, så fungerer mottakeren. Som en ekstra test, juster så frekvensen på den eksterne signalgeneratoren mellom 500 og 1500 Hz. Demonstrer til labveileder funksjonalitet av kretsen. Gi en kort beskrivelse på hva som skjer med det mottatte signalet når det går gjennom de forskjellige delkretsene i mottakeren (fra L1 til høyttaleren). Side: 7/9

8 Oppgave 5 AM-modulator Audio C1 0.1uF R1 Antenne 1KHz 0.2V 100 R2 D1 BAT81 1MHz 2V 100 R3 1K R4 40K L1 470u Figur 5. AM-modulator I figur 5 har vi en enkel AM-modulator. Den består av en enkel resistiv mikser, likeretter og LCresonator. Denne kretsen er forholdsvis enkel og kan godt kobles på ELVIS brettet om ønskelig. For antenne bruker dere en lang ledning på ca. 50 cm (Ikke kritisk). Avisoler den ene enden og koble den til som skjema henviser. Fest så den andre enden i noe over deg slik at ledningen står vertikalt opp. Sett en tilsvarende ledning som antenne i mottakeren også. Først skal vi tune LC-kretsen. Koble til oscilloskop der antennen er festet til kretsen og juster kondensatoren til dere får maksimum utslag på amplitude. Sjekk også at bølgeformen likner et AM-modulert signal. Da er vi klare til å motta tonen. Pass på at volumet til høyttaler/hodetelefon ikke står for høyt. Juster heller sakte opp når dere hører lyd. Sett antennen fra mottakeren parallelt nær modulatorens antenne. Jo nærmere antennene er hverandre, jo høyere lyd. I vanlige AMradioer er det som regel Automatic gain control (AGC). Denne sørger for å variere forsterkningen i mottatt signal slik at lydvolumet blir konstant. Vi har ikke en slik regulator, så vær observant på store variasjoner i volum som følge av små variasjon av avstand mellom antennene. Hører du lyd? Lek litt med frekvensen til tonen. Bruk så en lydkilde i stedet for den eksterne signalgeneratoren. Bruk helst en av de rød mp3- spillerne på laben. Juster volumet til maksimum på denne og spill av. Side: 8/9

9 Oppgave 6 Radio mottak (valgfri) Det er få eller ingen AM-stasjoner i Norge i dag. AM-radio fra fjerntliggende sendere (Russland, Tyskland e.l.) kommer i tillegg best inn om natten på grunn av de atmosfæriske forholdene nattestid. Siden forholdene for radio-mottak inne på laben kan være ganske dårlige anbefaler vi at du tar med deg kretsen utendørs. Du må derfor benytte batterier og hodetelefoner. Om du ønsker å forsøke på nattestid kan du ta med deg kretsen hjem, men vi ber da om at du husker å returnere komponentene senere. AM-radio bruker bærebølger fra omtrent 300 khz 15 MHz. Din radio skal for øyeblikket være tunet til 1 MHz, men siden C VAR bare kan ta verdier fra 6 pf til 50 pf, gir ikke dette oss mulighet til å justere resonansfrekvensen i hele området. Vi behøver derfor å justere verdien på spolen også. Koble kretsen vekk fra forsyningspenningen på ELVIS og benytt en batteriholder med plass til 4 stk AA batterier i serie stedet. Vi får da en forsyningspenning på 6 Volt. Benytt hodetelefoner og test at mottagerkretsen fremdeles fungerer, når du selv sender et modulert signal på en bærebølge, med kretsen i oppgave 5. Ta med deg et par ekstra spoler med verdier fra 20 µh til 1.5 mh, og ta kretsen med ut. Juster kondensator-verdien sakte og prøv gjerne med et par andre spoleverdier. Vi kan ikke garantere at du vil lykke i å motta et signal, men vi håper at du gjør det! Takk for innsatsen! Om du ønsker det, mottas kommentarer til oppgaven med takk. Det kan hjelpe til med å forbedre kurset senere. Side: 9/9