4. Лабораторные задания

4.1. Задать на выходе звукового генератора по заданию преподавателя сигнал, получить на осциллографе его осциллограмму, измерить по ней амплитуду и частоту. С помощью электронного вольтметра измерить напряжение сигнала, а частотомером — частоту.

По техническим описаниям приборов определить в каждом конкретном измерении максимальную величину абсолютной погрешности каждого измеренного и выставленного на генераторе значения. Сделать вывод, какой прибор измеряет или выдает сигнал по данному параметру более точно.

4.2. Получить на генераторе стандартных сигналов сигнал с заданными преподавателем амплитудой, частотой и глубиной модуляции. Получить на осциллографе осциллограммы сигнала на разных развертках, чтобы были видны несущая и модулирующая частоты. Измерить амплитуду и частоту несущей, глубину модуляции и ее частоту. С помощью электронного вольтметра измерить напряжение сигнала, а высокочастотным частотомером — частоту несущей.

4.3. Получить на генераторе импульсов заданный преподавателем сигнал. Получить на осциллографе осциллограмму сигнала, измерить по ней амплитуду и длительность импульса, частоту повторения, а также задержку основного импульса относительно импульса синхронизации. Электронным вольтметром измерить пиковое значение (амплитуду) импульсов. Электронным частотомером измерить частоту сигнала.

5. Содержание отчёта

Отчёт должен содержать зарисованные осциллограммы и измеренные параметры сигналов по трём заданиям.

6. Контрольные вопросы

1. Для чего служит звуковой генератор, и что он вырабатывает?

2. Что такое аттенюатор, и каково его устройство и назначение?

3. Для чего в звуковом генераторе ставится внутренняя нагрузка? В каких случаях она включается, а в каких нет?

4. Приведите блок-схему звукового генератора и объясните назначение каждого блока.

5. Для чего применяется ГСС? Примерные диапазоны частоты и напряжения у широко распространенных ГСС. Блок-схема ГСС.

6. Для каких целей применяется генератор импульсов? Какой формы и сколько сигналов он вырабатывает? Блок-схема генератора импульсов.

7. Блок-схема осциллографа.

8. Что такое и как работает развертка осциллографов? Как осуществляется синхронизация развертки?

9. Как осциллографом измеряется амплитуда сигнала?

10. Как осциллографом измеряются интервалы времени?

11. B каких случаях применяют электронные вольтметры? Чем они отличаются от обычных вольтметров?

12. Блок-схема вольтметров постоянного и переменного тока.

13. Блок-схема цифрового вольтметра.

14. Какие существуют методы измерения частоты периодических сигналов?

15. Как работает гетеродинный частотомер?

16. Блок-схема цифрового частотомера.

17. Как работает частотомер с перезарядом конденсатора?

7. Литература

1. Комлик В. В. Радиотехника и радиоизмерения. Киев:, Выща: шк., 1978.

2. Мирский Г. Я. Радиоэлектронные измерения. М.: Энергия, 1975.

3. Кушнир Ф. В., Савенко В. Г. Электрорадиоизмерения. Л.: Энергия, 1975.

4. Дворяшин В. В., Кузнецов Л. И. Радиотехнические измерения. М.: Советское радио, 1978.

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

1. Цель работы

Изучение последовательного и параллельного колебательных контуров, определение их характеристик, изучение влияния конструктивных элементов контура и внутреннего сопротивления источника сигнала на характеристики.

2. Краткие теоретические сведения

2.1. Последовательный колебательный контур.

Последовательный колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора, соединённых последовательно по отношению к источнику переменного напряжения. Эквивалентная схема последовательного контура как двухполюсника, являющегося обычно частью более сложной цепи, приведена на рис. 1, где L — индуктивность, C — конденсатор, R_k — сопротивление потерь в контуре, — переменное синусоидальное напряжение частотой в комплексном виде, приложенное к контуру.

Рис. 1

Используя второй закон Кирхгофа для замкнутой цепи, можно записать

, (1)

где — ток в контуре,

(2)

— комплексное сопротивление контура как двухполюсника. Отметим, что комплексная запись синусоидального сигнала U=U_mcos(t+_u) есть где. Реальный сигнал есть действительная часть комплексной записи. Комплексное сопротивление двухполюсника есть отношение комплексных амплитуд напряжения и тока:

, (3)

где ,. В нашем случае (рис. 2)

, (4)

. (5)

Рис. 2

Часто вместо параметров R_k, C, L вводят следующие характеристики контура:

—характеристическое сопротивление,

—добротность,

—резонансная частота контура.

Записывая комплексное сопротивление контура через характеристики контура, получим:

. (6)

При частотах, близких к резонансной   ₀,

, (7)

где =-₀ — расстройка, сдвиг частоты от резонансной. При =₀ и L=1/C падение напряжения на емкости и индуктивности полностью нейтрализуют друг друга, и комплексное сопротивление становится минимальным и чисто активным —

,

Добротность определяет так называемую полосу пропускания контура 2₀=₀/Q. При =₀ Z=R_k(2)^1/2, т.е. увеличивается в 1,4 раза.

Рассмотрим использование последовательного колебательного контура как четырёхполюсника — цепи с двумя входами и двумя выходами (рис. 3).

Рис. 3

Для синусоидальных сигналов четырехполюсник характеризуется передаточной функцией (коэффициентом передачи по напряжению), являющейся отношением комплексных амплитуд напряжения на выходе и входе:

, (8)

где .

При этом сопротивление нагрузки R_н должно быть много больше выходного сопротивления четырехполюсника. С другой стороны, сопротивление источника сигнала R_и должно быть много меньше входного сопротивления четырехполюсника либо также включатся в схему четырехполюсника. Рассмотрим передаточную функцию такого четырехполюсника с включенным сопротивлением источника нагрузки. Тогда

(9)

Обычно используют случай R_и+R_к и R_н, т. е.  1. Тогда

, (10)

где R=R_и + R_к + ²/R_н. Таким образом, сопротивление источника суммируется с активным сопротивлением контура, сопротивление нагрузки также вносит дополнительное сопротивление в контур, равное ²/R_н. Эквивалентная схема четырехполюсника представлена на рис. 4.

Рис. 4

Используя те же преобразования, будем иметь:

. (11)

Для частот близких к резонансной   ₀

, (12)

, (13)

где — эквивалентная добротность контура,— полоса пропускания контура.

Рис. 5

Зависимость K() называется амплитудно-частотной характеристикой четырехполюсника, а () называется фазочастотной характеристикой (рис. 5). Коэффициент передачи на резонансной частоте равен К_max=Q_экв. При   ₀ K()=Q_экв/(2)^1/2 =0.7Q_экв. На резонансной частоте сдвиг фаз выходного и входного сигнала равен нулю, на границе полосы пропускания /4. Отметим, что ввиду хотя и слабой, но зависимости числителя выражения K(i) от частоты, за счет множителя ₀/ максимум K() несколько смещен относительно резонансной частоты ₀:

. (14)

Это выражение можно получить, дифференцируя выражение (11). Однако это смещение при реальных Q>10 так незначительно, что практически незаметно. На частотах, сильно отличающихся от резонансной частоты, асимметрия K() становится заметнее.

2.2. Параллельный колебательный контур.

Цепь, состоящая из индуктивности и емкости, соединенных параллельно друг с другом и источником напряжения, называется параллельным колебательным контуром (рис. 6).

Рис. 6

Найдем комплексное сопротивление контура как двухполюсника:

или . (15)

Вводя здесь также

, ,

и пренебрегая вторым членом в числителе, т. к. при частотах, близких к резонансной, получим

. (16)

На резонансной частоте ₀= комплексное сопротивление максимально и чисто активно. Вспомним, что комплексное сопротивление последовательного колебательного контура на резонансной частоте минимально.

Рассмотрим передаточную функцию параллельного контура как четырехполюсника, вводя в его цепь сопротивление источника сигнала R_и и сопротивление нагрузки R_н (рис. 7).

Рис. 7

. (17)

Подставляя в это выражение сопротивление контура, получим

. (18)

Или

, (19)

где . Эквивалентная добротность контура равна

(20)

где Q=/R_к — добротность самого контура. Как видно, все проводимости, подключенные параллельно контуру, в том числе и проводимость источника сигнала, суммируются и уменьшают добротность контура. Частотная зависимость передаточной функции совпадает с передаточной функцией последовательного контура, и обе схемы используются в качестве узкополосного фильтра частот. Отличие заключается в разной зависимости эквивалентной добротности от сопротивления источника сигнала. При R_и<< необходимо использовать последовательный контур. При R_и>> — параллельный. При R_и используют параллельный контур, но последовательно источнику ставят дополнительное сопротивление. Величина добротности самого контура зависит от его элементов, величины нагрузки и наличия сердечника. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики параллельного контура получаются преобразованием выражения (19) и равны

, (21)

. (22)

Коэффициент передачи на резонансной частоте равен K_max=K₀, а на границах полосы пропускания 0.7K₀. Фазочастотная характеристика имеет инверсный вид по сравнению с последовательным контуром. С увеличением частоты от нуля до частот гораздо больших резонансной фаза изменяется от /2 до -/2.