ПОСОБИЕ ПО ЛАБАМ СФУ

Домашнее задание

1.Изучите основные вопросы исследуемой темы по конспекту лекций и рекомендованной литературе.

2.Выполните моделирование детекторных характеристик.

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

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

Лабораторное задание

1.Снимите характеристику детектирования и выберите оптимальный режим работы частотного детектора.

2.Наблюдать и фиксировать сигналы на входе модулятора и выходе детектора в оптимальном режиме и при отклонениях от него.

Методические указания

1. Исследование и снятие характеристики детектирования I0 = φ2(f)

производится при отсутствии модулирующего сигнала (МЧМ=0) путём

изменения частоты входного сигнала с измерением постоянной составляющей тока детектора. При этом вход модулятора отключен (гнездо КТ 1 свободно), между гнездами КТ 2 и КТ 3 установливается перемычка, а управление частотой осуществляется изменением смещения (ЕСМ) в модуляторе. Измерение частоты на выходе модулятора (гнездо КТ 2) производится с помощью ПК в режиме «Спектроанализатор» или приборами PC_Lab2000, а ток I0 – микроамперметром, расположенным над вольтметром

ЕСМ.

1.1. Изменяя напряжение смещения (ЕСМ) в соответствии с таблицей 1 измерить с помощью ПК (в режиме «Спектроанализатор» или приборами PC_Lab2000) частоты модулятора и, одновременно с этим, ток детектора I0.

Таблица 1

Данные для статической модуляционной характеристики f = φ1(ЕСМ) и характеристики детектирования I0 = φ2(f)

ЕСМ	B		0	-0,5	-1	-1,5	…………	-6,5
f	Кгц

fMAX,

I0 мкА

При заполнении табл. 1 кроме указанных значений ЕСМ следует добавить те значения ЕСМ и f, при которых I0 принимает нулевое и экстремальные значения.

1.2. По результатам таблицы 1 построить статическую модуляционную характеристику (СМХ) и характеристику детектирования (ХД). Из графика ХД определить оптимальное значение несущей частоты f0, соответствующее

нулевому току детектора и максимальную девиацию частоты соответствующую границе линейного участка ХД, считая от частоты f0. Из СМХ определить напряжение смещения ЕСМ ОПТ, при котором несущая частота равна f0 и максимальная амплитуда сигнала UMC, при которой девиация частоты составит fMAX. Полученные значения параметров внести в табл. 2.

	Оптимальный режим частотного детектора				Таблица 2
ЕСМ ОПТ, В	f0, кГц	fMAX, кГц	UMC MAX, B		UC MAX, B

1.3.Соединить выход диапазонного генератора с гнездом КТ 1 (вход модулятора). Туда же подключить вольтметр переменного напряжения (или использовать осциллограф). Установить на генераторе гармонический сигнал

счастотой FМОД=200 Гц и действующим значением UC МАХ (по вольтметру). Установить ЕСМ = ЕСМ ОПТ (из табл. 2).

1.4.Заменить вольтметр на входе 1 на один из входов двухлучевого

осциллографа (или осциллографа PC_Lab2000), а второй его вход соединить с выходом детектора (гнездо КТ 4).

1.5. Получив неподвижные осциллограммы, зафиксировать их в отчёте. Обратите внимание на «зубцы» выходной осциллограммы, связанные с работой амплитудных детекторов (зарядом и разрядом конденсаторов нагрузки).

2. Работа детектора в неоптимальном режиме возникает при выходе сигнала за пределы линейного участка ХД.

2.1.Изменить напряжение смещения на +0.5 В от оптимального. По графику СМХ или табл. 1 определить новое значение несущей частоты и внести его в отчёт.

Повторите п. 1.5.

2.2.Повторите п. 2.1, но при ЕСМ = ЕСМ ОПТ -0.5 В.

2.3. Восстановить прежнее значение ЕСМ ОПТ. Увеличить модулирующий сигнал UC в 1.5 раза. (Для этого на время измерения можно заменить вход осциллографа, подключенный к гнезду 1 на вольтметр)

Повторите п. 1.5.

Отчет

Отчет должен содержать:

1.Принципиальную схему частотного детектора.

2.Статическую модуляционную характеристику частотного модулятора.

3.Характеристику детектирования.

4.Временные диаграммы оптимального и неоптимальных режимов

работы.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение и запишите формулу ЧМ-сигнала при гармонической модуляции.

2.Амплитуда несущего колебания и амплитуда немодулированного ЧМ-сигнала – это одно и то же или нет (дайте обоснование)?

3.Тот же вопрос для АМ-сигнала.

4.Что такое МЧМ и КЧМ?

5.Какие требования предъявляются к частотному модулятору и

частотному детектору?

6.Какие функции выполняют частотный модулятор и частотный

детектор?

7.Как работает частотный детектор и для чего используются два

контура?

8.Где применяется частотная модуляция?

9.Какое отношение имеет функция Бесселя к спектру ЧМ-сигнала?

10.Чему равна мощность ЧМ-сигнала? Сравните с мощностью АМ-

сигнала.

Лабораторная работа № 13

ИССЛЕДОВАНИЕ LC-АВТОГЕНЕРАТОРА

Цель работы

Исследование схемы транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью.

Экспериментальная проверка основных положений теории самовозбуждения, стационарного и переходного режимов.

Краткая характеристика исследуемой схемы

В данной работе используется левая часть схемы сменного блока АВТОГЕНЕРАТОРЫ. Генератор LC (рис. 1) собран на полевом транзисторе

с колебательным контуром в цепи стока и трансформаторной обратной связью. Частота генерации постоянна и находится в пределах 18÷20 кГц. Трех позиционный переключатель в цепи обратной связи (ОС) позволяет изменять знак ОС (+ или -) либо вообще отключать её.

Регулятор взаимной индуктивности (М) позволяет плавно изменять абсолютную величину обратной связи. Переключатель вида смещения позволяет выбрать регулируемое, или автоматическое смещение на затворе полевого транзистора. Регулировка смещения производится потенциометром в правой части стенда и контролируется вольтметром, расположенным рядом. Выше вольтметра смещения находится микроамперметр, масштаб шкалы которого можно изменять (1/10). Микроамперметр в этой работе

позволяет измерять ток стока транзистора при снятии вольтамперной характеристики.

Тумблер ПРЕРЫВАТЕЛЬ (на схеме не показан) включает электронный коммутатор, который периодически разрывает цепь обратной связи для изучения переходных процессов в автогенераторах.

Гнезда КТ 1 в данной работе не используются, гнезда КТ 2 соединены с затвором, а КТ 3 – со стоком полевого транзистора. Дифференцирующая цепь, включенная между гнездами КТ 3 и КТ 4, используется для получения

фазовых портретов на экране осциллографа при изучении переходных процессов.

В качестве измерительных приборов используются внутренние вольтметр напряжения смещения и диапазонный генератор гармонических колебаний, внутренние приборы постоянного тока, осциллограф и ПК, работающий в режиме анализа спектра (для измерения частоты генератора), а также приборы с программным обеспечением PC_Lab2000, работающие совместно с ПК.

	ОБРАТНАЯ		+ EC
	СВЯЗЬ (ОС)	М
КТ1	+	L1		М
			1
	откл.	L3		2
			C1
R1	–	L2
			0	mГ 3

i

C2

KT2

KT3

	R2					UЗИ
								Ди
	РЕГ.				АВТ.			ф.
ЕСМ	СМЕЩЕНИЕ
									KT4

Рис. 1. Упрощенная схема исследуемого LС-генератора.

Домашнее задание

1.Изучите раздел теории курса (автогенераторы гармонических колебаний) по конспекту лекций и рекомендованной литературе.

2.Исследуйте стандартные схемы LC-генераторов в известных

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

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

Лабораторное задание

1.Исследуйте «мягкий» и «жесткий» режимы самовозбуждения

генератора.

2.Получите амплитудные характеристики стационарного режима при разных смещениях.

3.Получите колебательные характеристики резонансного усилителя без обратной связи.

4.Наблюдайте колебания в стационарном и переходных режимах.

Методические указания

1.Исследование режимов самовозбуждения генератора

1.1. Снятие вольтамперной характеристики (ВАХ) полевого

транзистора производится с помощью внутренних источников и измерительных приборов.

Убедиться в том, что:

-все внешние провода отключены от генератора;

-обратная связь отключена (тумблер ОС в среднем положении);

-прерыватель отключен;

-тумблер вида смещения в положении – регулируемое (РЕГ.). Подготовить и внести в таблицу значения ВАХ (табл. 1).

						Таблица 1
ЕСМ=UЗ		0	-0.5	-1	-1.5	…………	UОТС
И
iС	мА						0

Последовательно устанавливая значения ЕСМ из таблицы ручкой потенциометра «-ЕСМ», измерить и внести в таблицу значения тока стока.

Построить график ВАХ iC = ϕ1(UЗИ) и определить теоретические области работы генератора в «мягком» и «жестком» режимах.

1.2. Работа генератора в «мягком» режиме

Включить тумблером положительную обратную связь. Ручку «М»

регулировки величины обратной связи установить в крайнее левое положение (М=0). Подключить к выходу генератора (гнездо КТ 3) осциллограф и можно дополнительно вольтметр переменного напряжения.

По графику ВАХ определить ЕСМ, соответствующее середине линейного участка ВАХ. Установить это значение регулятором смещения базового блока.

1.3. Плавно увеличивая взаимную индуктивность ручкой «М», добиться появления генерации (по вольтметру или осциллографу). Уменьшить М, добиваясь минимальных устойчивых колебаний (не более 0.5 В). Затем с помощью регулятора ЕСМ найти такое смещение, при котором выходное напряжение генератора станет максимальным. Далее регулятором «М» добиться прекращения колебаний. Таким образом определено смещение «мягкого» режима работы автогенератора (ЕСМ1) и критическое значение величины обратной связи (МКР1), которые следует внести в табл. 2.

Таблица 2

«мягкий» режим;

ЕСМ1 = … В; МКР1 = … mГ

М, mГ
UCT, В	(при увеличении М)
UСТ, В	(при уменьшении М)

Устанавливая ряд значений М, измерять UСТ и результаты вносить в таблицу, причем обе строки UСТ снимать при одних и тех же значениях М. По данным таблицы построить график UСТ = ϕ2 (М).

1.4. Убедившись в наличии генерации, определить частоту генерируемых колебаний по осциллографу (измерить период с учетом цены деления переключателя развертки) или по шкале одного из анализаторов спектра. Программный анализатор спектра по входу “1” ПК лабораторной установки и звуковой платы подключать к гнезду КТ 4 (для исключения шунтирования цепи стока).

1.3. Работа генератора в «жестком» режиме

Выберите предварительное положение рабочей точки на нижнем изгибе ВАХ и установите соответствующее смещение. Регулируя «М», убедитесь, что при некотором М=МКР1 происходит скачкообразное возникновение колебаний, а при некотором М=МКР2 – срыв колебаний. (МКР2 < МКР1). Если колебания вообще не возникают – немного уменьшить абсолютное значение смещения | EСМ |, а если МКР1 и МКР2 различаются незначительно – соответственно увеличить | EСМ |. Путем нескольких таких проб найти ЕСМ2 для «жесткого» режима, при котором МКР1 и МКР2 существенно различаются; внести это значение в таблицу 3 подобную таблице 2 (с добавлением значения МКР2). После окончательного выбора ЕСМ2 до полного заполнения таблицы 3 трогать ручку «ЕСМ» не рекомендуется. После завершения таблицы строятся графики UСТ = ϕ2 (М) для «жесткого» режима.

1.6. По указанию преподавателя повторить п. 1.3 для автоматического смещения; при этом переключатель вида смещения – в положение АВТ.

2.Колебательные характеристики и АЧХ

2.1. Отключить обратную связь. Соединить вход резонансного усилительного каскада без обратной связи (гнездо Кт 2) с диапазонным генератором стенда. К выходу (гнезда КТ 3) подключить осциллограф и вольтметр переменного напряжения. Установить частоту генератора около 18 кГц, выходное напряжение 0.1 В.

2.2. Определить частоту резонанса LC контура путем плавной перестройки частоты генератора в пределах 17÷20 кГц. Достижение

резонанса фиксируется по максимуму выходного напряжения (гнезда КТ 4). Значение fРЕЗ ввести в табл. 4.

2.3.При нахождении АЧХ резонансного усилителя целесообразно использовать возможности PC_Lab2000 в режиме «Редактор АЧХ» (Bode Plotter). Для этого подсоединить выход генератора функций (PCG10) PC_Lab2000 к входу (Кт 2) усилителя и настроить генератор для снятия АЧХ. Вход CH1осциллографа (PCS500) подключить к выходу усилителя (Кт 3). Включить режим анализа цепей (Circuit Analyzer) и настроить Bode Plotter (установить вертикальную шкалу, выбрать максимальную предполагаемую частоту, выбрать стартовую частоту, справой стороны окна выбрать развертку в соответствии с прогнозируемым выходным сигналом, выбрать масштаб шкалы) и стартуйте. График полученной характеристики сохранить для дальнейшего использования и отчета.

Для более подробного ознакомления используйте Help.

2.4.Установив смещение «мягкого» режима ЕСМ1 (а затем и ЕСМ2 для «жесткого»), снять зависимость UВЫХ = ϕ3(UВХ) на резонансной частоте. В качестве минимального значения принять UВХ мин = 0.1 В. Результаты измерений дать в виде первых двух строк табл. 4.

					Таблица 4
«мягкий» режим; ЕСМ=ЕСМ1= …В;					fРЕЗ =…кГц; RЭО = …кОм
UВХ		В	0.1
UВЫХ		В
Im1		mA
SСР		mA/B
Полезные напоминания:
∙	средняя крутизна SÑÐ = I1 UÂÕ				- отношение действующих значений

первой гармоники тока стока и входного напряжения;

∙I1 = UÂÛ Õ RÝÎ , где RЭО – резонансное сопротивление контура; его

можно найти через модуль коэффициента усиления, определенный для

линейного режима усиления (когда UВХ = UВХ мин = 0.1 В);
∙	Ê =UÂÛ Õ UÂÕ =SÐÒRÝÎ ; определив крутизну	SРТ	в	мА/В, пользуясь
графиком ВАХ для ЕСМ1 («мягкий» режим), найдем RЭО			RÝÎ =UÂÛ Õ UÂÕ SÐÒ [кОм].
Используя приведенные формулы, заполните последние две стоки
табл. 4.
2.5. Повторить п. 2.4 для «жесткого»		режима		(ЕСМ2), сохраняя
найденное значение RЭО.

2.6. По указанию преподавателя повторить исследования для автоматического смещения.

3.Исследование переходного режима

3.1.Восстановить схему генератора, отключив приборы от гнезда КТ 2

ивключить положительную обратную связь. Включить ПРЕРЫВАТЕЛЬ. Осциллограф подключается к выходу (гнезда КТ 3). Наблюдать осциллограмму переходного процесса в одном из режимов (по указанию преподавателя), отрегулировав значение «М» так, чтобы четко просматривался процесс нарастания и спада колебаний.

3.2.Для получения «фазового портрета» соединить гнездо КТ 3 со входом Х, а гнездо КТ 4 со входом Y физического осциллографа. Развертка отключается. Подобрать масштабы изображения по вертикали и горизонтали так, чтобы оно размещалось в пределах экрана осциллографа.

При использовании осциллографа PC_Lab2000 в меню “Math”

включить “XY plot” и добиться регулировками стабильного изображения графика фазового портрета автогенератора*.

*Дополнительно можно исследовать время нарастания фронта и среза

импульсов в режиме с прерыванием в зависимости от М и ЕСМ, подсчитывая при этом количество периодов до установления сигнала.

Отчет

Отчет должен содержать:

1.Результаты домашней подготовки и принципиальную схему LC

генератора.

2.Вольтамперную характеристику транзистора.

3.Амплитудные характеристики.

4.Колебательные характеристики и АЧХ.

5.Графики средней крутизны.

6.Осциллограммы переходных процессов.

Контрольные вопросы

1.Изобразить обобщенную схему автогенератора.

2.Сформулируйте критерии устойчивости и запишите условия самовозбуждения.

3.Баланс фаз и баланс амплитуд на примере изучаемой цепи.

4.Какие колебания дают начало процессу самовозбуждения?

5.Какова роль усилительного элемента в схеме автогенератора?

6.Какова роль обратной связи?

7.Какова роль нелинейного элемента?

8.От чего зависит частота генерации?

9.От чего зависит форма колебаний?

10.В чем суть квазилинейного метода?

11.Как получить зависимость SСР от амплитуды?

12.Поясните особенности «мягкого» и «жесткого» режимов. Приведите схему, учитывающую достоинства этих режимов.

13.Изобразите фазовые портреты при «мягком» и «жестком» режимах самовозбуждения.

14.Что такое колебательная характеристика?

15.Изобразите схему трехточечного автогенератора.

Лабораторная работа № 14

ИССЛЕДОВАНИЕ RC-ГЕНЕРАТОРА

Цель работы

Исследование одной из схемы автогенератора RC. Экспериментальная проверка основных положений теории RC-генераторов.

Краткая характеристика исследуемой схемы

В данной работе используется правая часть схемы сменного блока АВТОГЕНЕРАТОРЫ. Объектом исследования (рис. 1) является RC- генератор на основе двухкаскадного резисторного усилителя (К-цепь) с цепью положительной обратной связи в виде фазобалансной цепи (ФБЦ) R3 C3 R4 C4 (β-цепь). Для нормальной работы генератора К-цепь и β-цепь необходимо соединить перемычками между гнездами КТ5–КТ6 и КТ7–КТ8.

При снятых перемычках появляется возможность раздельного изучения свойств К-цепи и β-цепи.

Регулировка частоты генерируемых колебаний (в пределах 2÷5 кГц) осуществляется сдвоенным потенциометром R3R4 фазобалансной цепи (ручка ЧАСТОТА).

Ручная регулировка усиления К-цепи производится потенциометром R5, включенным в нагрузку первого каскада (ручка УСИЛЕНИЕ). С

помощью этого регулятора можно определять критическое значение коэффициента усиления и наблюдать за изменением формы генерируемых колебаний.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) включается тумблером в правом верхнем углу сменного блока. При включенной АРУ независимо от

положения ручного регулятора поддерживается практически синусоидальная форма выходных колебаний. Схема АРУ (на рис. 1 не показана) состоит из