3. Описание лабораторной установки

На рис. 5 показан экспериментальный макет транзисторного резонансного усилителя с общим эмиттером. Переключатель SA1 включает в цепь коллектора колебательный контур или активное сопротивление. Напряжение питания усилителя 6 В. Переменный резистор R_см служит для установки напряжения смещения U_б0 на базе транзистора VT1. Входные гнезда ВЧ и НЧ предназначены для подачи входного сигнала переменного напряжения. Входное и выходное напряжения на коллекторе измеряются с помощью вольтметра или осциллографа, подключаемых к соответствующим гнездам. Переключатели SB1 и SB2 подключают измерительные приборы к точкам на входе 1, 2 и на выходе 3 усилителя.

Рис. 5

Внешнее высокочастотное гармоническое напряжение от генератора Г4-106 или Г4-102А подводится к гнезду Г1 (ВЧ).

4. Порядок выполнения работы

4.1. Снять колебательные характеристики НРУ. Для этого:

а) Включить на вход усилителя генератор сигнала (вход ВЧ). Установить тумблер SA1 в положение 1, тем самым включив параллельный контур в цепь коллектора транзистора. Установить ручку смещения на базе транзистора в положение 0,8 В. Подключить источник питания усилителя (6 В). Подключить к гнездам ламповый вольтметр и поставить переключатель SB1 в положение 1. Подключить осциллограф к соответствующим гнездам и перевести переключатель SB2 в положение 3.

б) Определить входное напряжение U_б.кр (около 1 В), соответствующее критическому режиму (т. е. величину входного напряжения, выше которой выходной сигнал не возрастает). Снять зависимость U_вых(U_вх) (колебательную характеристику), уменьшая входной сигнал генератора через 0,1 В от критического значения до нуля.

в) Повторить пункт б) для напряжения смещения 0,6 и 0,4 В.

г) Рассчитать амплитудные характеристики НРУ, используя колебательные.

4.2. Исследовать НРУ в режиме умножения частоты.

Получить и зарисовать осциллограммы напряжения на выходе НРУ в режиме удвоения и утроения частоты. Сравнить с осциллограммами напряжения на выходе резистивного нелинейного усилителя при тех же условиях. Определить коэффициент усиления в режиме умножения частоты и значения угла отсечки. Для этого:

а)  установить смещение U_бо = 0,6 В и амплитуду входного сигнала, соответствующую критическому режиму U_вх=U_б.кр;

б) уменьшая частоту генератора (около 80 кГц), настроиться на вторую гармонику напряжения возбуждения (по максимуму выходного сигнала);

в) изменяя напряжения смещения в небольших пределах, добиться максимума напряжения на выходе НРУ. Зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Измерив выходной сигнал, определить коэффициент усиления в режиме умножения частоты;

г) переключить на выходе НРУ вместо контура активное сопротивление тумблером SA1, зарисовать осциллограмму выходного напряжения и измерить угол отсечки;

д) переключить тумблером SA1 снова контур на выход НРУ. Проделать пункты а) — г), установив частоту входного сигнала, соответствующую утроению частоты (50—60 кГц).

5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

5.1. Принципиальную схему НРУ.

5.2. Графики амплитудных и колебательных характеристик, полученные экспериментально и расчетным путем.

5.3. Осциллограммы напряжений на выходе НРУ в режиме удвоения и утроения частоты.

5.4. Результаты экспериментального определения коэффициентов усиления удвоения и утроения частоты.

6. Контрольные вопросы

1. Что такое режим отсечки?

2. Принцип действия и простейшая схема НРУ.

3. Основные характеристики НРУ, работающего в режиме отсечки.

4. Насколько эффективно умножение частоты с повышением частоты гармоники?

7. Литература

1. Харкевич А. А. Нелинейные и параметрические явления в радиотехнике. М., 1956. 180 с.

2. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1977.

Лабораторная работа № 9

ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ

1. Цель работы

Изучение искусственной линии задержки. Измерение амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик и времени задержки линии.

2. Краткие теоретические сведения

2.1. Введение.

Линией задержки (ЛЗ) называют линейный четырехполюсник, на выходе которого воспроизводится входной сигнал с задержкой на заданный промежуток времени Т_з (рис. 1). Для неискаженной передачи сигнала необходимо, чтобы ЛЗ обладала идеальными частотными характеристиками в полосе частот, занимаемой спектром сигнала, т. е. равномерной амплитудной частотной характеристикой К()=const и линейнонарастающей фазочастотной характеристикой ()=Т_з (рис. 2). Наклон фазочастотной характеристики определяет время задержки линии.

Рис. 1

Для неискаженной передачи сигнала произвольной формы, в том числе перепадов напряжения и коротких импульсов с крутыми фронтами, ЛЗ должна обладать идеальными частотными характеристиками во всей бесконечной полосе частот. Однако цепи с такими идеальными характеристиками физически неосуществимы. Поэтому на практике требуют, чтобы характеристики ЛЗ в полосе частот, где сосредоточен основной спектр передаваемого сигнала, были бы более или менее близки к идеальным. Основными параметрами ЛЗ являются величина и стабильность задержки, искажение формы передаваемого сигнала и объем, занимаемый ЛЗ. В качестве ЛЗ может быть использован отрезок длинной однородной линии, нагруженной на сопротивление R_н, равное волновому сопротивлению линии:

, (1)

где L₀, C₀, — погонные индуктивность и емкость (т. е. на единицу длины). Такая линия в режиме бегущей волны не искажает передаваемый сигнал. Она обладает идеальными частотными характеристиками:

; ; , (2)

где  — коэффициент затухания линии, l — длина линии, v — скорость распространения волны вдоль линии. Коэффициент затухания линии равен

,

где R_o — погонное активное сопротивление линии.

Рис. 2

Реальные длинные линии имеют такие параметры v и , что их использование целесообразно лишь в диапазоне наносекундных задержек. В диапазоне микросекундных задержек требуемая длина линии становится недопустимо большой. Увеличение погонной задержки длинной линии может быть достигнуто уменьшением скорости распространения волны, т. е. увеличением погонных параметров L и C. Искусственное увеличение погонной емкости линии, например, путем применения кабеля с изоляцией, обладающей высокой диэлектрической проницаемостью, невыгодно, так как при этом существенно уменьшается волновое сопротивление линии и затрудняется согласование линии с нагрузкой. Поэтому линии задержки с распределенными параметрами реализуются обычно в виде кабеля, в котором внутренний провод выполнен в форме цилиндрической спирали, что приводит к увеличению погонной индуктивности линии и увеличению погонной задержки. Такой кабель обеспечивает погонную задержку порядка 1 мксек/м при волновом сопротивлении от сотен Ом до единиц кОм. Однако и при спиральных кабелях необходимая длина для задержек более единиц микросекунд, как правило, неприемлема по конструктивным соображениям. Следует также отметить, что на частотах более 1 МГц величина задержки и волновое сопротивление уже существенно зависят от частоты за счет влияния межвитковой паразитной емкости и диэлектрических потерь в изоляции. Кроме того, растет затухание в кабеле.

2.2. Искусственные линии задержки.

На практике чаще всего в качестве ЛЗ применяют искусственные линии с сосредоточенными параметрами. Такие линии позволяют получить заданное время задержки при меньшем объеме линии, но с большими искажениями сигнала, чем при использовании линии с распределенными параметрами. ЛЗ с сосредоточенными параметрами состоит из ряда последовательно соединенных фильтров нижних частот. На рис. 3 приведены схемы Т- и П - образных звеньев (соответственно рис. а и б).

Рис. 3

Для этих звеньев произведение комплексных сопротивлений последовательного Z₁ и параллельного Z₂ элементов есть величина постоянная и не зависящая от частоты:

. (3)

Характеристические сопротивления Z₀ и фазовые сдвиги  для этих звеньев в полосе прозрачности (_с) выражаются формулами:

, (4)

, (5)

, (6)

где

.

Длительность задержки звена t₁ определяется производной фазочастотной характеристики

. (7)

Рис. 4

Как видно из рис. 4, частотные характеристики звеньев в полосе прозрачности существенно отличаются от идеальных, и длительность задержки t₁ зависит от частоты. Уже на частоте =_с/2 задержка звена возрастает на 15% по сравнению с задержкой на частоте =0, при дальнейшем увеличении частоты  величина задержки возрастает, и вместе с тем растут искажения формы передаваемого сигнала за счет отклонения частотных характеристик звена от идеальных. Если спектр входного сигнала состоит из частот, значительно меньших _с, то в первом приближении можно в формулах (4)—(7) пренебречь частотным членом по сравнению с 1 и считать

, (8)

. (9)

Таким образом, в рассматриваемом случае сигнал без существенных искажений будет передан через звено в нагрузку R_н =  с задержкой t₁ = (LC)^1/2. Линия, состоящая из n звеньев (рис. 5), обладает фазовой постоянной n и обеспечивает задержку Т, равную

. (10)

Рис. 5

Формулы (8)—(10) позволяют выбрать число звеньев n и параметры LC ЛЗ, нагруженной на сопротивление R_н =  и обеспечивающей требуемую величину задержки Т_з. Однако при передаче через ЛЗ перепадов напряжения (или прямоугольных импульсов) указанное выше недостаточно точно и приходится считаться с неизбежными искажениями фронтов импульса.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при идеальном скачке напряжения E на входе длительность фронта выходного напряжения будет для одного звена

, (11)

а для n-звенной ЛЗ в n^1/3 раз больше:

. (12)

Длительность задержки от момента подачи входного скачка до момента, когда напряжение на выходе достигнет 0,5 E, оказывается для одного звена

, (13)

а для n-звенной линии

. (14)

Выбор числа звеньев и параметра ЛЗ производится по заданным параметрам T, R_н и .