Дослідження амплітудного модулятора.

3.1. Підключити осцилограф до клеми Г1А.

3.2. Встановити тумблер В4 в положення 2.

3.3. Підключити до ВЧ входу лабораторного модуля генератор Г4-18А. Встановити частоту f ≈ 120 кГц і за осцилографом встановити амплітуду напруги 0,2 - 0,6 В. Замалювати форму напруги носійної частоти на вході модулятора.

3.4. Перевести перемикач В4 у положення 1, таким чином підключивши осцилограф до виходу модулятора, і, плавно змінюючи частоту генератора, досягти максимуму амплітуди вихідного коливання. Максимум має місце, коли зрівнюються середня частота навантажувального контуру модулятора та частота вхідного сигналу.

3.5. Підключити до НЧ входу модулю вихід генератора Г3-33. Встановити перемикач В4 в положення 2. На передній панелі генератора Г4-18А тумблером „Ген. ВЧ” відключити високочастотне коливання.

3.6. Встановити частоту НЧ генератора f ≈ 2 кГц і амплітуду 0,1 ‑ 0,2 В. Замалювати модулювальне коливання на вході модулятора.

Рис.4.10

3.7. Тумблером „Ген. ВЧ” генератора Г4-18А включити високочастотне коливання. Замалювати сумарне коливання на вході модулятора

3.8. Перевести тумблер В4 у положення 1. Спостерігати форму АМ коливання на виході модулятора. Змінюючи місце робочої точки на вхідній характеристиці модулятора за допомогою потенціометра R ₂, досягти максимуму амплітуди і мінімуму спотворень АМ коливання.

3.9. Змінюючи за допомогою потенціометра R ₁ амплітуду модулювального коливання, одержати АМ коливання з глибиною модуляції m = 0,8 та m = 0,3. Замалювати коливання з додержанням масштабу.

Дослідження діодного амплітудного детектора.

4.1. Підключити осцилограф до клеми Г3А. Параметри вхідних коливань модулю залишити без змін. Перемикач В1 встановити у положення 1. Перемикачем В2 відключити конденсатор фільтра діодного АМ детектора.

4.2. Змінюючи за допомоги потенціометра R ₁ глибину амплітудної модуляції, замалювати форму вихідного коливання детектора для кількох значень m.

4.3. Перемикачем В2 підключити конденсатор фільтра і замалювати форму коливання на виході діодного АМ детектора з фільтром НЧ.

Дослідження транзисторного амплітудного детектора.

5.1. Підключити осцилограф до клеми Г4А. Перемикач В1 встановити у положення 2. Перемикачем В3 відключити конденсатор фільтра транзисторного АМ детектора.

5.2. За допомогою потенціометра R ₅ вибрати необхідну для детектування робочу точку транзистора Т2 (отримати найбільш неспотворений детектований сигнал). Замалювати форму напруги на виході транзисторного детектора за відсутності ємності фільтра.

5.3. Перемикачем В3 підключити конденсатор фільтра і замалювати форму коливання на виході транзисторного АМ детектора з фільтром НЧ.

Лабораторні прилади. НЧ генератор типу Г3-109, ВЧ генератор типу Г4-18А, осцилограф типу С1-83, макет АМ модулятора-детектора, з’єднувальні кабелі.

 

4.3 Запитання для самоконтролю

1. Як визначити глибину модуляції за осцилограмою АМ коливання?

2. Намалюйте спектр АМ коливання, модулювальна напруга якого є сумою першої та другої гармоніки з співвідношенням амплітуд 2/1.

3. Як зміниться глибина модуляції з підвищенням добротності навантажувального контуру АМ модулятора?

4. Як пов’язані параметри АМ коливання з параметрами його спектра?

5. Намалюйте вид коливання на виході АМ детектора за умови .

Література [1; 2 – 370-373, 387-391 c.; 3 – 638-650 c.]

Лабораторна робота №5.

Дослідження LC-АВТОгенераторів із зовнішнім зворотним зв’язком

Мета роботи: дослідження умов самозбудження та усталення коливань LC-автогенераторів із зовнішнім зворотним зв’язком.

 

Теоретичні відомості

1. Коливання, які самостійно виникають за відсутності зовнішнього впливу, називають автоколиваннями, а пристрої та системи, в яких вони виникають, - автоколивальними. До таких пристроїв належать генератори різних видів та форм коливань, які часто називають автогенераторами.

Об’єктом дослідження є автономні генератори, які перетворюють енергію сталих напруги або струму в енергію гармонічних коливань.

Спрощену схему автогенератора із зовнішнім зворотним зв’язком, який містить резонансний підсилювач та пасивне лінійне коло зовнішнього зворотного зв’язку, наведено на рис.5.1.

Рис.5.1

2. Якісно процеси, які проходять в системі, можна пояснити наступним чином. Внаслідок флуктуацій, що завжди виникають в елементах реальної схеми, напруга на вході U _ВХ резонансного підсилювача викликає на його виході напругу U _ВИХ, яка матиме максимальну складову на резонансній частоті f ₀ контуру підсилювача (, де - еквівалентний опір контуру при f ₀).

Напруга U _ВИХ через коло зворотного зв’язку передається на вхід підсилювача. Якщо складова U _ВИХ на частоті f ₀ буде у фазі з U _ВХ на цій частоті, то U _ВХнадалі збільшуватиметься і, як наслідок, зростатиме U _ВИХ.

Тобто, амплітуда коливань зростатиме, якщо підсилювач віддає у коливальний контур енергію, більшу за ту, що витрачається у пасивних елементах генератора за той же час. Це і є механізм самозбудження коливань частоти f _Г, що є близькою до f ₀, тобто, умова самозбудження має вигляд

(5.1)

На початку самозбудження амплітуди коливань є малими і підсилювач можна розглядати як лінійний.

3. Зі збільшенням амплітуди коливань починає відчуватися вплив нелінійності підсилювача. Реакція нелінійного кола на синусоїдальну дію завжди несинусоїдальна, тобто, спектр реакції є сумою гармонік частоти вхідного коливання. Амплітуди і фази цих гармонік залежать від виду та ступеня нелінійності елементів кола.

Суттєвою особливістю нелінійного резонансного підсилювача, застосованого у автогенераторі, є його навантаження у вигляді високодобротного коливального контуру, напруга на якому завжди синусоїдальна, незалежно від форми струму у контурі (за умови, що співпадають частота дії і резонансна частота контуру навантаження). Такий „фільтрувальний” вплив навантаження дозволяє застосувати „квазілінійний” метод аналізу, коли нелінійний підсилювач вважається лінійним (тобто таким, що не змінює форму коливання), але з коефіцієнтом підсилення, що залежить від амплітуди вхідного коливання.

4. Основною характеристикою нелінійного підсилювача у „квазілійному” наближенні є його коливальна характеристика - залежність амплітуди першої гармоніки струму навантаження від амплітуди вхідної синусоїдальної дії. Форма коливальної характеристики залежить від форми ВАХ підсилювального елементу і вибору положення робочої точки на ВАХ. Поширеним параметром коливальної характеристики є середня крутість . Відповідно, резонансний коефіцієнт підсилення напруги нелінійного підсилювача також є залежним від амплітуди вхідної дії. На рис.5.2,а подано ВАХ польового транзистора з робочими точками А і В, а на рис.5.2,б та 5.2,в – коливальні та характеристики середньої крутості, що відповідають точкам А (крива 1) і В (крива 2) на ВАХ.

а	б	в
Рис.5.2

5. Характер процесів виникнення та усталення коливань в автогенераторі залежить від виду коливальної характеристики, а отже, від вибору початкової робочої точки. Графічний аналіз умов збудження коливань, наведених у формулі (5.1), подано на рис.5.3.а,б – для робочої точки А, та рис.5.4.а,б – для робочої точки В.

а	б
Рис.5.3
а	б
Рис.5.4

Прямі, позначені літерами М, ілюструють різні значення коефіцієнту передавання кола зворотного зв’язку (М – величина взаємної індуктивності між котушкою коливального контуру і котушкою зворотного зв’язку у схемі генератора з трансформаторним зв’язком (див. рис.5.7), причому, ).

Точка перетину прямої зворотного зв’язку з відповідною кривою фіксує значення вхідної напруги, коли нерівність (5.1) переходить в рівність

,	(5.2)
.	(5.3)

У системі встановлюється стаціонарний динамічний режим з постійною напругою U_сm і частотою , на якій енергія, що надходить у систему, дорівнює розсіюваній енергії. Вирази (5.2) та (5.3) називаються умовами стаціонарності коливань, або балансом амплітуд і фаз.

У «м’якому» режимі (рис.5.3.а,б) точка перетину тільки одна і відповідає стійким стаціонарним коливанням скільки завгодно малої амплітуди, що виникають за умови (див. рис.5.5,а).

У «жорсткому» режимі (рис.5.4.а,б) самозбудження коливань можливе за умови . При цьому амплітуда коливання стрибком зростає до . При зменшенні зв’язку зрив коливань відбудеться при (див. рис.5.5,б, на якому стрілками подано напрямки зміни амплітуди коливань під час зміни ступеня зв’язку.

а	б
Рис.5.5

Баланс фаз у схемі з трансформаторним зворотним зв’язком забезпечується відповідним ввімкненням кінців котушки зв’язку (див. рис.5.7).

Розглядаючи «м’який» та «жорсткий» режими самозбудження, слід проаналізувати їх переваги та недоліки. У „м’якому” режимі через велику крутість при малих амплітудах U _вх легше запустити генератор, однак наявність великої сталої складової зменшує ККД генератора. У «жорсткому» режимі значення ККД більші, але самозапуск автогенератора утруднений. У реальних генераторах застосовують коло автоматичного зміщення, яке дає змогу поєднати переваги обох режимів роботи автогенератора.

6. Крім LC -генераторів з трансфор-маторним зворотним зв’язком широке застосування мають триточкові схеми автогенератора, узагальнену еквівалентну схему якого для змінного струму наведено на рис.5.6.
Рис.5.6

Оскільки реактивні елементи високодобротних контурів мають малі втрати, то на цьому рисунку вони позначені як чисті реактивності . У генераторі повинні виконуватись одночасно умови балансу фаз та амплітуд. Виконання балансу амплітуд забезпечується вибором коефіцієнту підсилення транзистора, при якому

.

Виконання балансу фаз (5.3) у схемі з спільним витоком (де вихідна напруга повернута на 180° відносно вхідної) буде забезпечено, якщо подільник напруги, який складається з х ₁ і х ₂, поверне фазу на 180°:

,

для чого потрібно, щоб

.

(5.4)

Для виконання умови (5.4) х ₁ і х ₂ повинні бути реактивностями різного характеру, причому . Якщо частота , можна записати умови резонансу в контурі

.

(5.5)

Коли , то умова (5.5) буде виконана, якщо х ₃ має такий самий характер реактивного опору, як і х ₂.

Якщо х ₂ і х ₃ – індуктивності, а х ₁ – ємність, то схема на рис.5.6 – є індуктивною триточкою, якщо х ₂ і х ₃ – ємності, а х ₁ – індуктивність, – схема є ємнісною триточкою.

 

Лабораторне завдання

1. Відповідно до схеми рис.5.7, зібрати дослідний макет LC -генератора з трансформаторним зовнішнім зворотним зв’язком, використовуючи модулі „Активні чотириполюсники” та „Коливальні кола”. До контуру навантаження підсилювача С ₁ L ₁ підімкнути вхід Y осцилографа.

Рис.5.7

2. За допомогою потенціометра встановити мінімальну напругу на затворі транзистора. Цій напрузі відповідає „м’який” режим самозбудження. Регулятором взаємної індуктивності встановити мінімальне значення зв'язку між L ₁ і L ₂ (М). Ємність конденсатора С ₁ встановити у середнє положення. Збільшуючи зв'язок, за допомогою осцилографа спостерігати виникнення автоколивань. Якщо генератор не збуджується, змінити на 180° фазу напруги зворотного зв’язку шляхом перемикання кінців котушки L ₂. Перерисувати осцилограму вихідної напруги.

3. Змінюючи зв'язок від M _min до M _max, а потім від M _max до M _min, зняти залежність амплітуди коливань від величини зворотного зв’язку. Відлік амплітуди виконувати на екрані осцилографа. Зарисувати одержану залежність у звіт.

4. Збільшити потенціометром напругу на затворі транзистора і повторити п.3. Нанести одержану залежність на графік пункту 3. Порівняти одержані графіки з рис.5.5,а.

5. Підбираючи напругу на затворі транзистора, досягти „жорсткого” режиму збудження, тобто одержати залежність амплітуди від зв’язку, подібну до рис.5.5,б.

6. Підімкнути до входу X осцилографа „вольтовий” вихід генератора Г4-18. Осцилограф перевести в режим розгортки X. Змінюючи частоту генератора Г4-18, досягти стійкого зображення еліпса Лісажу на екрані осцилографа. Змінюючи значення ємності конденсатора С ₁ від мінімального до максимального, користуючись шкалою Г4-18, визначити методом порівняння діапазон зміни частоти автогенератора.

 

Лабораторні прилади. ВЧ генератор типу Г4-18А, осцилограф типу С1-83, модулі „Активні чотириполюсники” та „Коливальні кола”, з’єднувальні кабелі.

 

5.3 Запитання для самоконтролю

1. Суть квазілінійного методу аналізу стаціонарного режиму автогенератора.

2. Дайте визначення коливальної характеристики.

3. Чим визначається режим збудження автогенератора?

4. Наведіть коливальні характеристики, які відповідають різним напругам зміщення на затворі транзистора.

5. Сформулюйте умови стаціонарності коливань в автогенераторі та поясніть їх фізичний зміст.

6. Охарактеризуйте особливості «м’якого» та «жорсткого» режимів самозбудження.

7. Поясніть залежність амплітуди збудження коливань від коефіцієнта зворотного зв’язку.

8. Для яких цілей у схемах автогенераторів використовують автоматичне зміщення?

9. Наведіть еквівалентні схеми для ємнісної та індуктивної триточок.

Література [1 – 694-706, 721-727 c.; 2 – 288-303 c.; 4 – 311-323 c.]

Лабораторна робота №6.