ПОСОБИЕ ПО ЛАБАМ СФУ

Контрольные вопросы

1.Каковы характерные особенности спектров тока, протекающего через нелинейный безинерционный элемент, при моно- и бигармоническом воздействиях?

2.Что называется порядком комбинационного колебания? Приведите примеры.

3.Какова связь между наивысшим порядком комбинационного колебания и степенью полинома, аппроксимирующего характеристику нелинейного элемента?

4.Перечислите наиболее часто применяемые методы спектрального анализа колебаний на выходе безинерционных нелинейных преобразователей. Укажите, при каких видах аппроксимации целесообразно применять каждый из них.

5.Что называется углом отсечки, как определить его по осциллограмме сигнала и как выразить аналитически?

6.Характеристика нелинейного элемента аппроксимирована ломаной

линией.

Входное воздействие представляет собой сигнал вида u=ЕСМ+Umcosωt. Пользуясь системой трех координатных плоскостей, покажите, как следует выбрать ЕСМ и Um, чтобы:

а) ток по форме повторял форму входного сигнала; б) ток принял форму косинусоидальных импульсов с углом

отсечки 900.

7.Поясните, как работает преобразователь, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.

8.Как практически изменить положение рабочей точки на сток- затворной характеристике полевого транзистора?

9.Перечислите все составляющие спектра тока, если на вход нелинейного элемента с параболической (квадратичной) ВАХ подать гармонические сигналы с частотами 5 и 6 кГц.

10.То же для случая аппроксимации ВАХ степенным полиномом третьей степени.

11.Как изменится спектральный состав тока, если амплитуду входного напряжения уменьшить в 10 раз?

Лабораторная работа № 6

УСИЛЕНИЕ СИГНАЛОВ

Цель работы

Исследование процессов усиления сигналов в линейном и нелинейном режимах.

Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется сменный блок ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ. Схема исследуемой цепи приведена на рис. 1 и представляет собой усилительный каскад на полевом транзисторе с сумматором на операционном усилителе в цепи затвора.

КТ 2

Вх

Вх

КТ 1

Рис. 1

Выбор нагрузки в цепи стока (резистор R либо колебательный LC контур) осуществляется кнопочными переключателями. Изменение резонансных свойств контура достигается с помощью кнопки "RШ", которая подключает шунтирующий резистор (RШ=10 кОм) параллельно LC контуру, уменьшая его добротность.

В работе используется сток-затворная характеристика полевого

транзистора и соответствующие аппроксимирующие функции для расчета спектра.

Источниками входных сигналов служат внутренние генераторы, гнезда

и регуляторы выходного напряжения которых расположены в левой части базового блока (ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ). Там же находится встроенный диапазонный генератор. Входные сигналы, подаваемые на любые из трех входов макета (гнезда 1¸3), а также напряжение смещения ЕСМ, через сумматор (å) подаются на затвор полевого транзистора (гнездо КТ 1). Сумматор выполнен на операционном усилителе; его коэффициент передачи по каждому входу равен – 1. Схема сумматора исключает взаимное влияние между входами 1, 2 и 3, что позволяет измерять напряжения каждого источника, непосредственно на входе сумматора, не отключая остальные

источники. Выходом макета является гнездо КТ 2 в цепи стока. Напряжение смещения устанавливается потенциометром в правой части стенда (ручкой ЕСМ) и контролируется вольтметром, расположенным рядом. Для измерения постоянной составляющей тока стока (iС) там же расположен микроамперметр. Для включения прибора в цепь стока следует нажать кнопку "iС" сменного блока, отключив другие.

Вработе следует использовать вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и персональный компьютер (ПК), который в данной работе используется в качестве спектроанализатора, а также приборы

спрограммным обеспечением PC_Lab2000, работающие совместно с ПК, для

успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.

Вкачестве измерительных приборов – встроенный вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и ПК. Кроме того, диодный детектор макета (на рис. 1 не показан), и стрелочный микроамперметр стенда образует индикатор резонанса, позволяющий настраивать контур в резонанс без применения внешних приборов.

При наблюдении процессов на входе нелинейного элемента приборы должны подключаться к затвору (гнездо КТ 1), на выходе к стоку (гнездо КТ 2).

Домашнее задание

1.Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе материал по усилению сигналов.

2.Аппроксимируйте сток–затворную характеристику полевого транзистора, соответствующую стенду, кусочно-линейной и кусочно- параболической функциями. Выберите на них напряжения смещения, соответствующие:

а) середине линейного участка;

б) углу отсечки θ = 900.

3.Составьте программу для расчета коэффициентов разложения и приведите графики.

4.Проведите моделирование исследуемой схемы в одной из стандартных программ, например Electronics Workbench (EWB512)*.

*Работа с этой программой должна предшествовать выполнению лабораторной работы на практических занятиях в компьютерном классе.

Лабораторное задание

Исследуйте работу резонансного усилителя в линейном и нелинейном режимах.

Методические указания

В соответствии с принципиальной схемой (рис. 1) поставьте переключатель нагрузки в положении "LC", а переключатель "Rш" должен быть выключен (кнопка отжата).

Настройка в резонанс осуществляется путем изменения частоты встроенного диапазонного генератора в пределах 12÷16 кГц при UВХ≈0.5 В.

Достижение резонанса фиксируется по максимальному напряжению в цепи стока (гнездо КТ 2) либо по максимальному показанию микроамперметра стенда, постоянно включенному в цепь индикатора резонанса. Значение резонансной частоты f0 вносится в табл. 1.

1. Линейный режим усиления

1.1. Положение рабочей точки выбирается на середине линейного участка сток–затворной характеристики, аппроксимированной отрезками прямых линий. Найденное значение напряжение смещения ЕСМ устанавливается потенциометром и вносится в табл. 1.

Таблица 1

ЕСМ =... В,	f0 =...кГц
UВХ, В
UВЫХ, В

1.2. Амплитудная характеристика усилителя UВЫХ=ϕ1(UВХ) снимается при изменении напряжения входного сигнала в пределах от 0 до 2В; начальный участок рассматривается подробно через 0.05 ÷ 0.1 В. Результаты заносятся в табл. 1. Строится график ϕ1.

1.3. Временные диаграммы входного напряжения uВХ(t), напряжения на выходе UВЫХ(t) при двух значениях добротности колебательного контура (RШ выключено, включено) и тока стока iС(t) (переключатель нагрузки в положении "R") наблюдаются и зарисовываются при действии на входе

(гнездо КТ 2) напряжения UВХ=UВХmax, где UВХmax – наибольшее напряжение,

при котором амплитудная характеристика еще может считаться линейной (определить по графику ϕ1).

2. Нелинейный режим усиления

2.1.Положение рабочей точки выбирается так, чтобы угол отсечки был равен 900. Для этого устанавливается ЕСМ=u0 (напряжение отсечки на графике кусочно-линейной аппроксимации сток-затворной характеристики).

Найденное значение ЕСМ устанавливается потенциометром ЕСМ и вносится в табл. 2, подобную табл. 1.

2.2.Амплитудная характеристика усилителя UВЫХ = ϕ2(UВХ) в нелинейном режиме снимается при изменении напряжения на входе (гнездо

КТ 1) в пределах 0 ÷ 4В. Перед снятием каждого отсчета выходного сигнала (гнездо КТ 2) необходимо подстраивать частоту генератора в резонанс (по максимуму UВЫХ). Результаты измерений заносятся в табл. 2. Построить график зависимости ϕ2 и определить на нем границу линейного участка амплитудной характеристики UВХМАХ.

2.3. Временные диаграммы наблюдаются и зарисовываются при UВХ=UВХМАХ. Необходимо зафиксировать с сохранением масштаба по осям времени:

∙осциллограмму входного сигнала uВХ(t) (гнездо КТ 1);

∙осциллограмму тока стока iC(t) – для этого нажать кнопку "R" выбора нагрузки (гнездо КТ 2);

∙две осциллограммы выходного напряжения uВЫХ(t) при включенном колебательном контуре (нагрузка LC) для двух вариантов добротности контура (кнопка "RШ" нажата и отжата) – гнездо КТ 2.

Отчёт

Отчёт должен содержать:

1.Принципиальную схему исследованных устройств. Материалы предварительной подготовки.

2.Исходную и аппроксимированную сток–затворную характеристику полевого транзистора для соответствующего варианта.

3.Таблицы исходных, расчетных и экспериментальных данных.

4.Графики амплитудных характеристик ϕ1 и ϕ2, а также осциллограммы исследованных процессов.

Контрольные вопросы

1.Какова роль транзистора (биполярного, полевого или МДП) в схеме линейного усилителя?

2.Почему в качестве нагрузки в линейном усилителе применяются резистор, колебательный контур?

3.Как выбрать рабочую точку на характеристике усилительного элемента линейного усилителя?

4.Каковы преимущества нелинейных усилителей?

5.Какова связь между формой напряжения на входе и выходе нелинейного резонансного усилителя?

6.Какова роль избирательной нагрузки в схемах нелинейных усилителей?

7.Как выбрать рабочую точку на характеристике усилительного элемента нелинейного усилителя?

8.Какой (и почему) режим обеспечивает высокое значение КПД?

9.Как выбрать оптимальный режим работы усилителя?

10.Что такое коэффициент гармоник?

11.Поясните работу усилителей построенных по схеме с общим истоком (ОИ), общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС), а также аналогичных схем с использованием биполярных и МДП транзисторов.

Лабораторная работа №7

УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ

Цель работы

Изучение процесса умножения частоты. Получение оптимального режима. Схема работы и измерительная аппаратура рассмотрены в лабораторной работе Усиление сигналов.

Домашнее задание

1.Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе материал по усилению сигналов и умножению частоты.

2.Аппроксимируйте сток–затворную характеристику, соответствующую стенду, кусочно-линейной и кусочно-параболической функциями.

3.Рассчитайте амплитудную характеристику умножителя частоты одним из двух способов по указанию преподавателя:

3.1.При постоянном значении максимального значения импульса тока (iмакс=const) использовать метод угла отсечки, основанный на коэффициентах

αn(θ) для кусочно-линейной аппроксимации. В качестве руководства к расчету используйте п. 3.1 методических указаний к данной работе и рис. 1. В таблице 1 вместо UВЫХ добавьте еще 3 строки: соsθ, θ и αn(θ).

iс imax=сonst

	uн					u
Есм2		Есм1		0		u
				Um1

3.2. При постоянном значении амплитуды входного сигнала (Umвх=const) использовать метод угла отсечки, основанный на коэффициентах max γn(θ) – для кусочно-параболической аппроксимации. Значение Umвх=1В, а Есм изменять в пределах – (1÷6) В. Значение n (номер гармоники) выбирать от 2 до 4.

4. Приготовьте заготовку отчета и внесите в нее результаты выполненных расчетов.

Лабораторное задание

1. Исследуйте работу умножителя частоты при постоянной величине

амплитуды импульса тока стока или при постоянной амплитуде входного сигнала (по указанию преподавателя).

Методические указания

1. Принципиальная схема макета изображена в лабораторной работе Усиление сигналов. Переключатель "НАГРУЗКА"- в положении "LC", переключатель "Rш" должен быть выключен (кнопка отжата).

Настройка в резонанс осуществляется путем изменения частоты встроенного генератора в диапазоне 12÷16 кГц при UВХ≈0.5 В. Достижение резонанса фиксируется по максимальному напряжению в цепи стока (гнездо КТ 2) либо по максимальному показанию микроамперметра стенда, постоянно включенному в цепь индикатора резонанса. Значение резонансной частоты f0 вносится в табл. 1. При исследованиях использовать PC_Lab2000.

2. Частота генератора гармонических колебаний fВХ должна быть в n раз меньше резонансной частоты контура, т. е. fВХ = f0/n, где n - кратность умножения; тогда n-я гармоника входного сигнала будет совпадать по частоте с частотой настройки контура f0. Точное значение fВХ определяют по

максимуму выходного сигнала при подстройке частоты генератора вблизи расчетного значения fВХ.

3. Амплитудная характеристика умножителя частоты измеряется и рассчитывается одним из двух способов (по указанию преподавателя).

3.1 Для получения амплитудной характеристики умножителя частоты при iМАХ=соnst необходим предварительный расчет, в результате которого заполняются первые три строки табл. 1.

					Таблица 1
n=... ;	f0=...кГц;	fВХ=f0/n=...
		кГц;
UВХ В	1.0	1.5	2.0	2.5	...
UmВХ В
ЕСМ В
UВЫХ В
Iсn мА

Кратность умножения n (или номер выделяемой гармоники) выбирается таким же, как и при расчетах спектра в домашнем задании.

Соответственно устанавливается частота входного сигнала и его величина UВХ (действующее значение). Вторая строка таблицы содержит амплитудные

значения UmВХ, которые больше UВХ в Ö2, т. е. UmВХ=UВХÖ2. Третья строка таблицы рассчитывается так, чтобы при всех изменениях максимальное

напряжение на затворе было бы постоянно равно нулю (см. рис. 1). Очевидно, что для этого смещение по модулю должно равняться амплитуде сигнала, т. е. ЕСМ = - UmВХ. При этом условии амплитуда импульса тока будет постоянной, но будет меняться угол отсечки q и, соответственно, спектральный состав тока стока, в том числе и амплитуда n-ной гармоники.

Для получения каждого значения UВЫХ (гнездо КТ 2) необходимо устанавливать расчетные пары значений ЕСМ и UВХ из таблицы (причем сначала устанавливать ЕСМ, затем UВХ) и, подстроив частоту генератора согласно п. 2, снять отсчет UВЫХ. Измерения UВЫХ продолжаются до тех пор, пока не будет найдено максимальное значение UВЫХ, которое соответствует оптимальному режиму умножителя частоты.

3.2. Для получения амплитудной характеристики умножителя частоты при UВХ =соnst следует установить на входе (гнездо КТ 1) напряжение

UВХ =1 В с частотой fВХ=f0/n и, изменяя ЕСМ в пределах – (1.0 ¸ 6.0) В с шагом 0.5 В, измерять выходное напряжение на контуре (гнездо КТ2). Значение n

берется то же, что и при расчете домашнего задания. Перед снятием каждого отсчета UВЫХ рекомендуется подстраивать частоту генератора, добиваясь максимума UВЫХ согласно п. 2. Найти точное значение ЕСМ, при котором UВЫХ = UВЫХМАХ. Результаты представить в виде табл. 2.

Таблица 2

n=... ;	f0=...кГц;		fВХ=f0/n=...	UВХ =1 В
			кГц;
ЕСМ, В	-1.0		-1.5	-2.0
UВЫХ, В
Iсn мА
4. Амплитудные		характеристики		умножителя для случая 3.1 –

Iсn= ϕ1(UВХ) и для случая 3.2 – Iсn= ϕ2(ЕСМ), рассчитываются по данным двух последних таблиц:

Iсn= UВЫХ/RЭО,

где RЭО – эквивалентное сопротивление колебательного контура на частоте резонанса (принять RЭО =1 кОм). Построить график ϕ3 (или ϕ4).

Временные диаграммы и спектры для оптимального режима наблюдаются и фиксируются для той пары значений ЕСМ и UВХ, при которой напряжение n-ой гармоники UВЫХ было максимальным. Необходимо представить осциллограммы и спектры следующих сигналов (с сохранением масштаба по оси времени):

∙входного напряжения uВХ(t) – гнездо КТ 1;

∙тока стока iC(t) – при нажатой кнопке "R", гнезда КТ 2;

∙выходного напряжения uВЫХ(t) –при нажатой кнопке "LC", гнезда КТ 2, для двух случаев: шунт включен (кнопка RШ нажата) и выключен (кнопка RШ отжата), а также спектры вышеперечисленных сигналов. По

временной зависимости iC(t) находят значение угла отсечки θ. Эта величина находится из сравнения отрезков, соответствующих периоду колебания (3600) и ширине основания импульса тока (2θ).

5. Временные диаграммы процесса умножения частоты при другом значении n. Не изменяя установленных ранее значений ЕСМ и UВХ, настроить

частоту генератора на получение гармоник с более высоким номером (n=3...6, по указанию преподавателя). Добиться максимума UВЫХ путем небольшой подстройки ЕСМ. Зафиксировать осциллограммы и спектры процессов uВХ(t), iC(t) и uВЫХ(t) при отключенном шунте.

Отчет

Отчет должен содержать:

1.Принципиальную схему исследованных устройств.

2.Исходную и аппроксимированную сток–затворную характеристику полевого транзистора для соответствующего варианта.

3.Таблицы исходных, расчетных и экспериментальных данных.

4.Графики амплитудных характеристик ϕ1÷ϕ2, а также осциллограммы и спектры исследованных процессов.

Контрольные вопросы

1.Изобразить схему умножителя частоты. Пояснить принцип её

работы.

2.С какой целью применяются умножители частоты?

3.Как выбрать оптимальный режим работы усилителя?

4.Как выбрать оптимальный режим работы умножителя частоты?

5.Какова роль нелинейного элемента в схеме умножителя частоты?

6.Какова роль избирательной нагрузки в схеме умножителя

частоты?

7.Как получить осциллограмму тока, протекающего через колебательный контур?

8.Какое влияние оказывает выбор напряжения смещения на работу умножителя частоты?

9.Какое влияние и почему оказывает добротность контура нагрузки на качество работы умножителя частоты?

10.Что такое коэффициент гармоник?

Лабораторная работа №8

АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Цель работы

Исследование процесса амплитудной модуляции, получение

статической модуляционной характеристики и выбор оптимального режима работы модулятора.

Схема работы и измерительная аппаратура

В работе используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ. Принципиальная схема исследуемой цепи приведена на рис. 1. С помощью переключателя "R–LC" в качестве нагрузки выбирается колебательный контур, а для снижения его добротности сопротивление RШ должно быть включено. В качестве источника несущего колебания используется встроенный генератор звуковой частоты, подключаемый к входу 1. Источник