- •А. И. Тихонов, с. В. Бирюков, а. В. Бубнов информационно-измерительные и электронные приборы и устройства
- •Оглавление
- •I. Электронные приборы и устройства 8
- •II. Информационно-измерительные приборы и устройства 121
- •III. Индивидуальные задания 215
- •Введение
- •I. Электронные приборы и устройства
- •1. Лабораторные работы по электронике на стендах
- •1.1.1. Принцип работы схемы
- •1.2. Дифференцирующие цепи
- •1.2.1. Принцип работы схемы
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 исследование вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов и простейших выпрямительных схем на их основе
- •1. Теоретические сведения
- •1.1. Вольт-амперная характеристика
- •1.2. Однополупериодный выпрямитель
- •1.3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель (схема Греца)
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Порядок выполнения лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 исследование основных параметров и характеристик широкополосного усилителя на биполярном транзисторе
- •1. Задание к работе
- •2. Описание работы
- •3. Порядок проведения работы
- •3.1. Измерение коэффициента усиления
- •3.2. Измерение входного сопротивления Rвх усилителя
- •3.3. Измерение выходного сопротивления Rвых усилителя
- •3.4. Амплитудно-частотная характеристика (ачх)
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •1.2. Электронный усилитель и его основные нелинейные параметры
- •1.3. Двухсигнальный метод измерения коэффициентов интермодуляционных составляющих сигнала
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Методика выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •1.2. Инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Порядок выполнения работы
- •4. Методика выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •1.2. Теоретические основы анализа явления блокирования
- •1.3. Определение параметров нелинейности эу на основе измерения коэффициентов интермодуляции и блокирования
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Методика выполнения работы
- •Контрольные вопросы к защите лабораторной работы
- •2. Лабораторные работы по электронике на эвм
- •Компьютерная лабораторная работа № 1 исследование интегрирующих и дифференцирующих четырехполюсников
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •1. Домашнее задание
- •2. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •Вопросы к защите
- •Компьютерная лабораторная работа № 3 исследование основных параметров и характеристик электронного усилителя на биполярном транзисторе
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •Вопросы к защите
- •Компьютерная лабораторная работа № 4 исследование основных параметров и характеристик электронного усилителя на полевом транзисторе
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •Вопросы к защите
- •Компьютерная лабораторная работа № 5 исследование инвертирующего усилителя
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •Вопросы к защите
- •Компьютерная лабораторная работа № 6 исследование мультивибратора
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •2. Теоретические сведения
- •2.1. Метод амперметра и вольтметра
- •3. Порядок проведения работы
- •3.1. Измерение сопротивлений методом амперметра и вольтметра
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •Лабораторная работа № 2 исследование простейших измерительных преобразователей тока и напряжения для расширения пределов измерения приборов
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Теоретические сведения
- •2.1. Шунты
- •2.2. Добавочные сопротивления
- •2.3. Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения
- •3. Порядок проведения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •Лабораторная работа № 3 измерение электрических величин r, c, l с помощью мостовых схем
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Теоретические сведения
- •2.1. Основное условие баланса мостовой схемы и его применение для точного измерения сопротивлений резисторов
- •2.2. Измерение емкости конденсаторов
- •2.3. Измерение индуктивностей катушек
- •3. Порядок проведения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •Лабораторная работа № 4 электронный счетчик электрической энергии
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Теоретические сведения и описание лабораторного стенда
- •2.1. Лабораторная установка
- •2.2. Функциональная схема электронного счетчика энергии
- •2.2.1. Импульсно-перемножающее устройство (ипу)
- •2.3. Принцип перемножения с помощью шим – аим
- •2.4. Импульсный интегратор (ии)
- •2.5. Соотношения, используемые при расчете
- •3. Порядок проведения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •Лабораторная работа № 5 измерение параметров сигнала с помощью электронных приборов – осциллографа и частотомера
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Теоретические сведения и описание работы
- •2.1. Электронно-лучевой осциллограф
- •2.1.1. Электронно-лучевая трубка
- •2.1.2. Функциональная схема электронного осциллографа и его принцип действия
- •2.1.3. Применение электронного осциллографа для измерений
- •2.2. Цифровой частотомер
- •3. Порядок проведения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •2. Лабораторные работы по информационно-измерительной технике на эвм
- •Компьютерная лабораторная работа № 1 измерение сопротивлений резисторов приборами непосредственной оценки и определение погрешностей, вносимых приборами
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм работы программы для выполнения лабораторной работы
- •Приложение к работе
- •Компьютерная лабораторная работа № 2 исследование простейших измерительных преобразователей тока и напряжения для расширения пределов измерения приборов
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •Компьютерная лабораторная работа № 3 измерение электрических величин r, c, l с помощью мостовых схем
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •Лабораторная работа № 3 «измерение электрических величин r, c, l с помощью мостовых схем»
- •Библиографический список к работе
- •Компьютерная лабораторная работа № 4 электронный счетчик электрической энергии
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •Лабораторная работа № 4 «электронный счетчик электрической энергии»
- •1. Нажмите кнопку «Теория» и ознакомьтесь с методичкой.
- •2. Для начала лабораторной работы нажмите «Испытания».
- •Библиографический список к работе
- •Компьютерная лабораторная работа № 5 измерение основных параметров и характеристик широкополосного усилителя
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •2.1. Технические параметры исследуемого усилителя
- •2.2. Порядок выполнения лабораторной работы
- •Библиографический список к работе
- •Компьютерная лабораторная работа № 6 исследование блокирования усилительного каскада аппаратуры высокочастотной связи по линиям электропередачи
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Краткие теоретические сведения о лабораторной работе и двухсигнальном методе измерения блокирования
- •2.1. Электронный усилитель и его основные нелинейные параметры
- •2.2. Двухсигнальный метод измерения коэффициента блокирования
- •3. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •3.1. Последовательность в выполнении программных задач
- •3.2. Краткое описание алгоритма решения задачи
- •3.3. Алгоритм выполнения работы
- •Контрольные вопросы к защите лабораторной работы
- •Библиографический список к работе
- •III. Индивидуальные задания
- •1. Домашнее расчетно-графическое задание по основам электроники
- •1.1. Методика расчета
- •1.2. Пример расчета
- •А) Эмиттерный резистор
- •Б) Сопротивления делителя r1 и r2
- •В) Сопротивление коллекторного резистора Rк
- •Г) Блокирующая ёмкость (эмиттерный конденсатор)
- •2. Динамические параметры
- •Варианты заданий к расчету усилительного каскада на бпт 1т 313 б
- •2. Домашнее задание (курсовая работа) по дисциплинам «информационно-измерительная техника и электроника» и «измерительная техника-датчики»
- •1. Пояснение тематики заданий
- •Использование аппроксимации реальной характеристики передачи усилителя по ю. Б. Кобзареву для 11 равноотстоящих точек напряжений смещения
- •Типовое задание «Определение параметров нелинейности усилителя аппаратуры вч связи по лэп на основе аппроксимации его коэффициента усиления и выбор оптимального режима»
- •2. В зависимости от заданных условий решить одну из следующих задач.
- •Конкретный пример
- •Последовательность решения задачи
- •Типовое задание «Определение параметров нелинейности по интермодуляции и блокированию и выбор оптимального режима преобразователя частоты аппаратуры вч связи по лэп» Задание на курсовую работу
- •Основы обобщенного анализа нелинейных явлений в преобразователе частоты и получение исходных формул
- •Библиографический список
2. Домашнее задание (курсовая работа) по дисциплинам «информационно-измерительная техника и электроника» и «измерительная техника-датчики»
1. Пояснение тематики заданий
В учебных рабочих программах специальностей 140211 «Электроснабжение» и 210106 «Промышленная электроника в энергетике» предусмотрены самостоятельные работы в форме домашних заданий (ДЗ) и курсовых работ (КР). С учетом специфики специализаций в практикуме приводится материал для таких заданий, способствующий расширению знаний студентов по использованию высоковольтных линий передач не только для их целевого назначения – передачи энергии, но и для высокочастотной связи по ЛЭП. В настоящее время высокочастотные (ВЧ) каналы по ЛЭП являются основным средством связи в энергосистемах. Их доля в общем объеме каналов связи энергосистем составляет не менее 43 %, причем в ближайшем будущем их ведущая роль сохранится [18]. Формирование и совершенствование Единой энергетической системы страны, осуществляемой путем объединения энергосистем Сибири и Средней Азии с Европейской энергетической системой и сооружения магистральных ЛЭП напряжением 500, 750 и 1150 кВ, требует внедрения новейших систем управления и регулирования потоками информации, циркулирующими в сети. В связи с этим предъявляются повышенные требования к средствам связи в энергетике. При этом важнейшая роль отводится совершенствованию Единой сети связи энергетики (ЕССЭ), в которой ведущее место занимает ВЧ связь по высоковольтным линиям (ВЛ). В [12, 18, 22] отмечается, что обеспечение надежной работы каналов ВЧ связи по ВЛ, связанное с разработкой и усовершенствованием аппаратуры систем передачи информации по линиям сверхвысокого напряжения, а также систем измерения и контроля параметров ВЧ тракта, является важной задачей, решение которой способствует повышению надежности работы энергосистемы в целом.
В этой связи в данной работе приводится методика определения парамет-ров нелинейности усилительных каскадов аппаратуры ВЧ связи по ЛЭП, имеющих место вследствие опасных в усилителе нелинейных явлений – интермодуляции и блокирования, которые возникают из-за нелинейности передаточной характеристики усилителя и нарушают достоверность принимаемой информации. Интермодуляция – это нелинейный процесс возникновения в полосе пропускания усилителя различных комбинационных помех второго fс ± fп, третьего 2fс ± fп и других порядков. Их называют продуктами нелинейного преобразования (ПНП), так как они являются комбинациями из двух, трех и т.д. частот сигналов, один из которых – полезный сигнал с амплитудой Uс и частотой fс, а другой – помеха Uп с частотой fп. При этом наиболее опасны ПНП третьего порядка, так как по частоте они всегда оказываются вблизи полезного сигнала, т.е. в полосе пропускания усилителя, и, следовательно, нарушают достоверность полезной информации. Интермодуляцию вызывают сложные помеховые условия ВЧ каналов связи по ЛЭП, в которых в широком спектре амплитуд и частот присутствуют сосредоточенные помехи от соседних ВЧ каналов ВЛ, радиостанций и каналов проводных воздушных линий связи, от экранирования линейных проводов и разрядов по поверхности изоляторов, а также от коммутационных операций в сети и атмосферных разрядов.
Опасность другого вида нелинейности – блокирование малого полезного сигнала помехой большого уровня – состоит в том, что под действием мощной помехи, которая может находиться даже далеко за полосой пропускания усилителя, происходит изменение усиления, которое иногда превышает допустимые пределы (по нормативам не более ±20 %).
Эти нелинейные явления имеют место во всех усилительных и преобра-зовательных каскадах любой радиоэлектронной аппаратуры, и вопросы, связанные с борьбой с помехами и информационной надежностью профес-сиональной и другой аппаратуры, являются одной из важных составных частей так называемой проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных, энергетических и других информационных средств.
В практикуме представлены методики трех заданий, из которых первые два задания предусматривают оценку нелинейных свойств (интермодуляцию и блокирование) в усилительном каскаде, а третье – в преобразователе частоты аппаратуры ВЧ канала связи по ЛЭП.
2. Курсовая работа (Домашнее задание)
Определение параметров нелинейности и выбор оптимального режима усилительного каскада аппаратуры ВЧ связи по ЛЭП
Методика оценки нелинейных свойств ВЧ усилителя на основе определения параметров нелинейности и выбор его оптимального режима
Нелинейные свойства усилителей, зависящие от таких опасных в них нелинейных явлений, как интермодуляция и блокирование, в технической литературе определяются и анализируются различным образом. Классический анализ опирается в основном на методику, основанную на разложении в ряд Тейлора функции, выражающей зависимость выходного тока от напряжения на управляющем электроде усилительного прибора при сопротивлении нагрузки Rн = 0. При этом оказываются неучтенными нелинейность выходных сопротивлений, а также упомянутое сопротивление нагрузки. Последнее обстоятельство приводит к недопустимо большим погрешностям в количественной оценке продуктов нелинейного преобразования (ПНП), а следовательно, делает указанный метод практически непригодным для анализа нелинейных явлений, в особенности, при больших реальных уровнях помех на входе усилителя.
В [11, 13] показано, что при таких условиях наиболее целесообразно использовать методику анализа, основанную на разложении мгновенного коэффициента передачи (МКП) k(t) в ряд Тейлора, коэффициенты которого представляются в виде рядов Фурье по частоте помехи. Затем, выделив фильтром спектральные составляющие выходного сигнала и воспользовавшись аппроксимацией реальной характеристики передачи усилительного прибора, находят постоянную составляющую и амплитуды соответствующих гармоник спектра, а следовательно, коэффициенты и параметры нелинейности.
Так, под воздействием аддитивно действующих на входе усилителя на ПТ мгновенных значений гармонических напряжений полезного сигнала uс и помехи uп при выбранном постоянном напряжении смещения между затвором и истоком Uсм = Uзи мгновенный коэффициент передачи усилителя запишется следующим образом:
, (1)
где ; ; – текущая фаза соответствующего напряжения; Uс и Uп – амплитуды напряжений; Uс < Uп ; Uс << Uзи.
В результате разложения функции и ее первой и второй производных в ряд Фурье по частоте помехи и последующих тригонометрических преобразований получим выражения для упомянутых амплитуд напряжений соответствующих гармоник спектра, коэффициентов и параметров нелинейности:
, (2)
, (3)
, (4)
, (5)
, (6)
где – амплитуда полезного выходного сигнала;
(7)
– постоянная составляющая коэффициента усиления, определяемая как нулевая гармоника ряда Фурье;
– амплитуда комбинационной составляющей третьего порядка, изменяющаяся с частотой или ; – коэффициент интермодуляционных помех 3-го порядка;
– (8)
– вторая гармоника ряда Фурье, ответственная за образование комбинационных помех 3-го порядка;
– (9)
– полином, аппроксимирующий экспериментальную функцию, выражающую коэффициент усиления в рабочей точке усилителя .
; ; – (10)
– вторые производные по напряжению от , , соответственно;
, , и т.д. – коэффициенты усиления, их крутизна, кривизна и т.д. в рабочей точке, которые находятся как коэффициенты аппроксимирующего полинома;
– обобщенный параметр нелинейности третьего порядка, который в малосигнальном режиме (Uс << Uп) не зависит от входного сигнала, а определяется значением коэффициента усиления и его производными в рабочей точке
. (11)
Следовательно, параметр нелинейности , зависящий от второй производной малосигнального коэффициента усиления в любой рабочей точке , является определяющим в оценке нелинейных свойств усилителя по интермодуляции 3-го порядка. Чем более стремится к нулю (т.е. ), тем меньше коэффициент интермодуляции 3-го порядка , иначе тем более линейным является усилительный прибор (транзистор).
Коэффициент в формуле (6), определяющий степень блокирования малого сигнала помехой большого уровня, как следует из формулы (7), в соответствующей рабочей точке зависит только от уровня помехи.