ПОСОБИЕ ПО ЛАБАМ СФУ

вспомогательного усилительного каскада на операционном усилителе, коэффициент усиления которого управляется огибающей выходного сигнала. Всякое изменение амплитуды генерируемых колебаний (например, при ручной регулировке усиления) приводит к тому, что изменяется коэффициент усиления вспомогательного каскада, в результате чего выходная амплитуда возвращается на прежний уровень.

ЧАСТОТА			УСИЛЕНИЕ
+			+
KT5		KT6
C3						+EC
R3			R5			R6
					C5	С6
KT7	KT8						KT9
						Диф.
						цепь
R4		R7	R8	R9		R10	KT10
	C4		C7			C8

Рис. 1. Упрощенная принципиальная схема RC-генератора

Замена фазобалансной цепи на простую перемычку между гнездами КТ6–КТ8 превращает RC-генератор в мультивибратор.

При изучении переходных процессов включается ПРЕРЫВАТЕЛЬ (общий для LC и RC-генераторов).

Дифференцирующая цепь и её выход – гнездо КТ10 служат для

наблюдения фазовых портретов на экране осциллографа при выключенной развертке. В качестве измерительных приборов используются внутренние диапазонный генератор и вольтметр переменного напряжения, а также осциллограф и ПК в режиме анализатора спектра. Кроме того – приборы с программным обеспечением PC_Lab2000, работающие совместно с ПК, для

успешного использования которых необходимо использовать инструкцию и

Help.

Домашнее задание

1.Изучите основные положения теории RC генераторов по конспекту лекций и рекомендованной литературе.

2.Проведите моделирование.

3.Подготовить заготовку отчета в соответствии с методическими указаниями работы.

Лабораторное задание

1.Изменяя усиление К-цепи возбудите генератор, и проверьте выполнение условия баланса амплитуд (диапазонный генератор стенда должен быть выключен).

2.В стационарном режиме определите зависимость формы и спектра генерируемых колебаний от усиления К-цепи.

3.В стационарном режиме определите влияние β-цепи на частоту

генерации.

4.Получите релаксационные колебания, изучите влияние усиления К-цепи на частоту колебаний.

5.Исследовать переходный режим работы и фазовые портреты.

Методические указания

1.Исследование режима самовозбуждения

1.1. Соединить перемычками гнезда КТ5–КТ6 и КТ7–КТ8. Подключите вольтметр и осциллограф к выходу генератора (гнездо КТ 9). Ручка УСИЛЕНИЕ устанавливается в крайнее левое положение (К=КМИН). Ручка ЧАСТОТА – в произвольном, но неизменном в п. п. 1.1÷1.4 положении. Тумблеры ПРЕРЫВАТЕЛЬ и АРУ – выключены.

1.2.Возбуждение генератора осуществляется путем плавного увеличения усиления К-цепи (ручкой УСИЛЕНИЕ) до появления на экране осциллографа минимальных устойчивых колебаний. Измеряется и вносится в табл. 1 выходное напряжение генератора UГ.

1.3.Не меняя положений ручек ЧАСТОТА и УСИЛЕНИЕ, заменить осциллограф на анализатор спектра (на ПК), измерить и внести в табл. 1 частоту fГ.

									Таблица 1
	UГ =		В;	fГ =		кГц
	К-цепь						β-цепь
UВХ К	UВЫХ К		К	U		U		β	f0
				ВХ β		ВЫХ β
В	В		-	В		В		-	кГц
1.4.	Определить		коэффициент		передачи			цепи	обратной связи

β=UВЫХ β/UВХ β. Для этого снять перемычки, на вход ФБЦ (гнездо КТ 5) подать входное напряжение (от диапазонного генератора установки) UВХ β=1 В с

частотой f = fГ. Подключив вольтметр (или по осциллографу) к выходу β- цепи (гнездо КТ 7), измерить UВЫХ β. Результаты измерений, а также значение

βвнести в табл. 1.

1.5.Определим частоту f0, на которой ФБЦ создает нулевой фазовый сдвиг. Сохраняя подключение приборов предыдущего пункта, добавить к ним осциллограф, один из входов которого подключить ко входу, а другой к выходу ФБЦ. Перестраивая по частоте диапазонный генератор,

зафиксировать частоту f0, при которой сдвиг осциллограмм (входного и выходного сигналов ФБЦ) отсутствует. Значение f0 внести в табл. 1.

При отсутствии двухлучевого (или двухканального) осциллографа,

нулевой фазовый сдвиг между сигналами можно зафиксировать по фигуре Лиссажу на экране однолучевого осциллографа, когда эта фигура превращается в прямую линию с положительным наклоном.

Наличие в комплекте лабораторной установки приборов PC_Lab2000 облегчает выполнение этого пункта.

1.6.Для определения коэффициента усиления К-цепи подать на вход усилителя (гнездо КТ 8) напряжение от диапазонного генератора с частотой

f = fГ такой величины UВХ К, чтобы на его выходе получилось UВЫХ К = UГ. В табл. 1 внести UВХ К, UВЫХ К и К = UВЫХ К / UВХ К. Рассчитать и внести в ту же таблицу значение петлевого усиления β·К.

2. Исследование стационарного режима

2.1. Восстановить схему генератора, поставив перемычки между гнездами КТ5–КТ6 и КТ7–КТ8. Отключить все приборы от входа усилителя.

К выходу генератора (КТ 9) подключить осциллограф и анализатор спектра

(ПК или PC_Lab2000).

2.2.Плавно увеличивая УСИЛЕНИЕ К-цепи, наблюдать за формой генерируемых колебаний. При появлении первых признаков нелинейных искажений (по осциллографу) или по появлению гармоник (на анализаторе спектра) несколько уменьшить усиление, добиваясь практически синусоидальной формы выходного сигнала. Подключив вольтметр к выходу генератора (или по осциллограмме), измерить максимальную величину

гармонического сигнала UГ МАХ. Зарисовать осциллограмму и спектр этого сигнала на одной горизонтали.

2.3.Увеличить усиление К-цепи, добиваясь появления явно выраженных нелинейных искажений выходного сигнала. Зарисовать

осциллограмму и спектр для этого случая с сохранением масштаба

предыдущих рисунков	(п. 2.2).
2.4. Включить	тумблер АРУ, наблюдать за	изменением

осциллограммы и спектра. Обратить внимание на инерционность АРУ. Зарисовать осциллограмму и спектр под соответствующими рисунками п. 2.2 и 2.3. Попробуйте изменить коэффициент усиления К-цепи ручным регулятором, наблюдая за осциллограммой и спектром. Зафиксируйте наблюдения в отчете.

2.5. Зависимость частоты генерируемых колебаний от параметров фазобалансной цепи наблюдают по анализатору и осциллографу, фиксируя

частоты выходного сигнала для двух крайних и одного среднего положения ручки ЧАСТОТА. Система АРУ – включена. Результаты занести в табл. 2.

		Таблица 2
ПОЛОЖЕНИЕ РЕГУЛЯТОРА ЧАСТОТЫ
минимальное	среднее	максимальное
fГ = кГц	fГ = кГц	fГ = кГц

2.6.Влияние усиления на частоту генерируемых колебаний. Отключив АРУ, проверить по анализатору спектра, влияет ли изменение усиления на частоту генерации. Вывод по эксперименту отразить в отчете.

2.7.Релаксационные колебания наблюдают и зарисовывают после соединения перемычкой гнезд КТ6–КТ8, исключив из схемы фазобалансную цепь. В отчете отразить осциллограмму и спектр этого колебания.

2.8.Зависимость частоты релаксационных колебаний от регулятора УСИЛЕНИЯ. Снимается зависимость частоты колебаний по анализатору спектра от выходного напряжения генератора. Система АРУ отключена. Результаты представить в виде табл. 3 и графика fГ = φ (UВЫХ).

Таблица 3

UГ	В	…
fГ	кГц	…
3. Исследование переходного режима
3.1.	Восстановить схему RC генератора, поставив перемычки (см.

п. 1.1). АРУ выключена, ПРЕРЫВАТЕЛЬ – включен. Осциллограф подключен

квыходу генератора.

3.2.Плавно изменяя УСИЛЕНИЕ, наблюдать за характером переходного процесса в генераторе. Зарисовать 2÷3 наиболее характерные осциллограммы. Обеспечив синхронизацию импульсного процесса и подсчитав на фронте количество периодов сигнала можно определить, как зависит время установления исследуемого процесса от усиления.

3.3.Наблюдать фазовый портрет автоколебательной системы. Для получения «фазового портрета» соединить гнездо КТ 9 со входом Х, а гнездо КТ 10 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 режим “XY plot” и добиться регулировками стабильного изображения графика фазового портрета автогенератора.

Отчет

Отчет должен содержать:

1.Принципиальную схему RC генератора.

2.Таблицы и графики экспериментальных данных.

3.Выводы.

Контрольные вопросы

1.Нарисовать схему RC-генератора с фазобалансной цепью.

2.Объяснить назначение фазобалансной цепи. Изобразите ее АХЧ и ФЧХ.

3.Записать условие самовозбуждения.

4.Как определить частоту генерируемых колебаний?

5.От чего зависит форма генерируемых колебаний?

6.Нарисовать схему RC генератора с трехзвенной цепью.

7.Можно ли построить RC генератор на одном транзисторе?

8.Как с помощью осциллографа наблюдать процессы самовозбуждения и стационарный режим генератора?

9.Как получить релаксационные колебания? Почему частота таких колебаний (в изучаемой схеме) весьма нестабильна?

10.Что такое фазовый портрет автогенератора и как его получить на практике?

Лабораторная работа № 15

ИССЛЕДОВАНИЕ LC-ГЕНЕРАТОРА ПОД ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Цель работы

Ознакомление с основными свойствами автоколебательной цепи, находящейся под внешним воздействием периодической ЭДС. Получение процессов регенерации, синхронизации и деления частоты.

Краткое описание исследуемой цепи

В работе используется LC-генератор в составе сменного блока АВТОГЕНЕРАТОРЫ. Для подачи внешнего сигнала от диапазонного генератора стенда используется входное гнездо КТ 1. Входом изучаемой цепи является гнездо КТ 2 (цепь затвора полевого транзистора), а выходное напряжение снимается с гнезда КТ 3 (цепь стока). В качестве измерительных приборов используется вольтметр переменного напряжения и осциллограф, а

так же ПК в режиме анализатора спектра и приборы с программным обеспечением PC_Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых необходимо использовать инструкцию и меню Help.

Домашнее задание

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

2.Подготовьте заготовку отчета, в которой приведите схему исследуемой цепи, заготовки таблиц для записи экспериментальных результатов и ожидаемые результаты исследований.

Лабораторное задание

1. Изучить явление регенеративного усиления. Снять зависимость

коэффициента регенерации от величины взаимной индуктивности и амплитуды сигнала. Получить резонансные характеристики

регенерированного контура и сравнить их с характеристиками обычного LC контура.

2. В возбужденном режиме наблюдать явление регенерации и деления частоты. Исследовать области синхронизации и деления частоты при изменении амплитуды внешнего сигнала.

Методические указания

1.Подготовка к работе

1.1.Подключить диапазонный генератор стенда к входу (КТ 1) схемы LC-генератора. Вольтметр переменного напряжения (или осциллограф) подключить к затвору транзистора (гнездо КТ 2). К выходным гнездам генератора (КТ 3) также подключить осциллограф. Включить тумблером положительную обратную связь.

1.2.Положение рабочей точки выбираем на середине линейного участка вольтамперной характеристики (ВАХ) полевого транзистора LC- генератора. (Эта ВАХ была получена в процессе исследования LC- генератора. При отсутствии ВАХ её необходимо снять).

1.3.Критическое значение взаимной индуктивности МКР находится при подключенных измерительных приборах; напряжение внешнего генератора, подключенного к КТ 1, должно быть равно нулю.

Регулятором М добиться появления генерации с минимальной

амплитудой, затем регулятор смещения (ЕСМ) подстроить так, чтобы получить максимальную амплитуду генерируемых колебаний. Таким образом, определилось положение рабочей точки, при которой обеспечивается максимальная крутизна ВАХ.

Не изменяя ЕСМ (оно должно оставаться неизменным на протяжении всей работы), плавно уменьшить М, добиваясь прекращения генерации (М=МКР). Полученные значения ЕСМ и МКР внести в табл. 1.

Таблица 1

ЕСМ= В; МКР= мГ; UВХ= 1мВ

f0= кГц; без регенерации (М=0) U’ВЫХ= В

М, мГ

UВЫХ, В

Р

2. Исследование недонапряженного режима и регенеративного усилителя.

2.1.Настройка внешнего диапазонного генератора в резонанс с контуром LC-генератора начинается с установки на выходе внешнего

генератора напряжения 1 мВ. Сохраняя неизменным прежнее значение ЕСМ и установив М<МКР (произвольно), плавно перестраивать внешний генератор в пределах 16÷20 кГц, добиваясь максимума выходного напряжения.

Определив частоту резонанса f0, внести ее значение в табл. 1.

Следует иметь в виду, что в этом и последующих экспериментах резонансная кривая оказывается достаточно острой, поэтому после различных переключений, например подключение осциллографа или

переключение вольтметра с выхода цепи на вход и даже при переключениях пределов измерения вольтметра, требуется подстраивать частоту внешнего генератора, добиваясь максимума выходного напряжения.

Другой особенностью изучаемой цепи является трудность установки М

вблизи МКР, то есть при режиме, близком к самовозбуждению. Последнее

может наступить при любых манипуляциях с элементами настройки и регулировки, при которых изменяется комплексное сопротивление приборов, подключаемых к контуру LC-генератора. Поэтому в тех случаях, когда нет уверенности в том, что самовозбуждение отсутствует, следует плавно уменьшить до нуля напряжение внешнего генератора. Если при этом выходное напряжение в точке КТ 3 исчезнет, значит, самовозбуждения нет. В противном случае выходной сигнал остается после снятия входного. Тогда, для того, чтобы прекратить генерацию, следует осторожно уменьшить М (М<МКР) и повторить измерения.

2.2.Установить на входе (КТ 2) напряжение UВХ=1 мВ. Отключив цепь

обратной связи, после подстройки частоты внешнего генератора, измерить и внести в табл. 1 значение выходного напряжения (гнездо КТ 3) U′ВЫХ (без регистрации; М=0).

2.3.Включить положительную обратную связь. UВХ остается прежним – 1 мВ. Установить некоторое произвольное значение М (М<МКР) и после подстройки частоты определить UВЫХ. Убедившись, что генерации при этом нет, внести в табл. 1 несколько значений М и UВЫХ (вторая и третья строки таблицы). Последовательно увеличивая М (М<МКР) произвести не менее пяти таких измерений, добиваясь заметного превышения UВЫХ над U′ВЫХ (при М=0). Рассчитать и внести в нижнюю строку таблицы значение

коэффициента регенерации Р = UВЫХ / U′ВЫХ. Построить график зависимости Р=φ1(М). Среди полученных значений Р необходимо иметь хотя бы одно значение в пределах 3÷5, которое потребуется в дальнейших исследованиях.

2.4.Амплитудная характеристика регенерированной схемы

UВЫХ=φ2(UВХ) снимается для ранее выставленного значения ЕСМ и наибольшего значения М из табл. 1. Для этого, установив начальное значение UВХ=1 мВ, определяют UВЫХ; оба эти значения вносятся в табл. 2.

Таблица 2

ЕСМ=	В; М=ММАХ=			мГ;	без регенерации (М=0)			U’ВЫХ=		В
UВХ	мВ	1		3	10	30	100	300		1000
UВЫХ	В
Р	-

Последовательно задавая входные напряжения из таблицы, измерить (после подстройки частоты) UВЫХ и внести его значения в таблицу. Рассчитать и построить график UВЫХ=φ2(UВХ).

2.5. При нахождении АЧХ регенерированного усилителя целесообразно использовать возможности PC_Lab2000 в режиме «Редактор АЧХ» (Bode Plotter). Частотные характеристики регенерированного контура сравниваются по полосам пропускания (на уровне 0.707 от резонансного значения частоты) для следующих значений:

∙М=0; UВХ=1 мВ;

∙М=М′; UВХ=1 мВ;

∙М=М′; UВХ=1 В;

Следует иметь ввиду, что случай М=0 обеспечивается отключением цепи обратной связи, а М=М′ выбирается из табл. 1 для одного из значений Р в интервале 2÷5.

Граничные частоты полосы пропускания f1 и f2 определяются путем расстройки внешнего генератора до получения напряжения UВЫХ в 2 раз меньше, чем при настройке в резонанс (-3 дБ) или по полученным графикам АЧХ в режиме Bode Plotter, используя в меню маркеры. Результаты измерений внести в табл. 3.

				Таблица 3
ЕСМ=	В	М=0	М=М′	М=М′
f0 =	кГц	UВХ=1 мВ	UВХ=1 мВ	UВХ=1 В
f2 – f1,	кГц
Q

Значение добротности регенерированного контура рассчитывается по формуле

Q =		f0	.
	f2
		− f1

3. Возбужденный режим и синхронизация.

Захват частоты наблюдается при переводе исследуемой цепи в возбужденный режим. При этом частота генерации совпадает с частотой внешнего воздействия, причем это совпадение сохраняется при перестройке частоты внешнего источника в некоторых пределах («полоса захвата») от fН

до fВ.

В качестве индикатора захвата частоты могут использоваться фигуры Лиссажу в виде неподвижного эллипса. Для этого на входы X и Y

физического осциллографа подаются сигналы от внешнего генератора и от исследуемой цепи (при использовании приборов PC_Lab2000 это входы CH1 и CH2). На осциллограммах этот процесс можно наблюдать и фиксировать по биениям огибающей.

Другой способ фиксации процесса захвата частоты – по спектрограммам входного и выходного сигналов. Если наблюдается захват частоты, положение спектральных линий (первые гармоники) на входе и выходе совпадают.

3.1. Границы области захвата определяются путем изменения частоты внешнего воздействия вверх от f0 – частота fВ и вниз – частота fН до срыва генерации и возникновения «биений» (наблюдать по осциллограммам). Данные о границах области захвата fН=φ4(UВХ) и fВ=φ5(UВХ) при трех различных входных напряжениях UВХ заносятся в табл. 4. Туда же вносятся кратность изменения частоты n (в пределах полосы захвата или деления частоты (п. 3.3), а так же фигуры Лиссажу или спектрограммы для fВХ ≤ fН и fВХ ≥ fВ, в зависимости от применяемого способа индикации.

Таблица 4

ЕСМ= В; f0= кГц; М=ММАХ= мГ; n

UВХ, В

fН, кГц

fВ, кГц

3.2.Деление частоты наблюдается при тех же условиях, что и захват частоты, после перестройки внешнего генератора на двойную частоту –

fВХ=2f0 (n=2). Для большей кратности деления частоты (n=2÷5), входная частота увеличивается в n раз – fВХ=nf0.

3.3.Границы области деления определяются в соответствии с п. 3.2.

Данные о граничных частотах fН=φ6(UВХ) и fВ= φ7(UВХ) помещаются в табл. 5, подобной табл. 4. Зарисовываются фигуры Лиссажу или спектры выходного сигнала для fВХ ≤ nfН и fВХ ≥ nfВ.

Отчет