Определение спектра гармонического сигнала.

2. Литература:

2.1. Лачин В. И. Электроника: учеб. пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савёлов.

- Ростов-на-Дону: изд-во "Феникс" 2007.

3. Задание:

3.1. Изучить приложение к данной работе.

3.2. Произвести построение изменения выходного напряжения, учитывая масштаб входного синусоидального напряжения.

3.3. Изучить схемы включения диода для преобразования сигналов по материалу, представленному в приложении.

3.4. Ответить на контрольные вопросы.

3.5. Составить отчет по работе.

4. Содержание отчета:

4.1. Наименование и номер работы.

4.2. Цель работы.

4.3. Расчетные формулы, расчетные схемы включения диодов.

4.4. Ответы на контрольные вопросы.

5. Контрольные вопросы:

5.1. В чем состоит суть нелинейного преобразования линейных гармонических сигналов.

5.2. Какие свойства выпрямительных диодов используются при нелинейных преобразованиях.

5.3. Во сколько раз различаются прямое и обратное сопротивления диода постоянному току.

5.4. В каких схемах применяется выпрямительный диод.

5.5. Как обозначается на схемах выпрямительный диод.

5.6. Основные параметры выпрямительных диодов.

6. Приложение:

6.1 Высокочастотные (универсальные) диоды

Высокочастотные и импульсные диоды применяют для преобразования токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами свыше 100 кГц.

Диоды Шоттки основаны на переходе металл - полупроводник. Накопление заряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее примерно 0.5 В.

6.2 Диоды используются не только в качестве преобразователей переменного напряжения, но и в качестве ограничителей и фиксаторов уровня напряжения.

Ограничители это устройства (схемы), предназначенные для ограничения амплитуды напряжения на определенном, заданном уровне. Фиксаторы предназначены для фиксации амплитуды напряжения на определенном, заданном уровне.

В основе их работы лежит резкое изменение сопротивления диода (а значит и коэффициента передачи схемы) в открытом и закрытом состояниях.

Вид преобразования зависит от положения рабочей точки по отношению к вольт-амперной характеристике нелинейного элемента и амплитуды сигнала.

Для демонстрации этих положений произведем построение, используя вольт-амперные характеристики диода, полученные в работе 1.

Сопротивление диода на основе кремния до напряжения 0.7 вольта очень большое и диод закрыт. Если амплитуда U _m сигнала меньше 0.7 вольта, то сигнал не проходит на выход преобразователя. Если амплитуда U _m сигнала больше 0.7 вольта, то на выход проходит лишь часть положительной вершины синусоиды, как показано на рисунке 5.

Изменяя положение рабочей точки, называемое смещением РТ, можно изменять вид выходного сигнала. На рисунке 5.а напряжение смещения равно нулю. Напряжение, при котором диод начинает открываться, обозначим символом U *. На рисунке 5 это напряжение составляет 0.7 В.

I ПР

I ПР

 

U ПР

U ПР

Рис. 5. Преобразование гармонического сигнала

 

Вместе с тем, если сигнал сместить на линейный участок ВАХ диода на величину напряжения равную U ₀, то получим линейное преобразование рисунок 5.б. Такое преобразование используется в линейных усилителях сигнала на транзисторах.

Преобразование гармонического сигнала с помощью элемента, имеющего нелинейную вольт-амперную характеристику, используется для получения высших гармоник, кратных частоте основного сигнала.

 

6.3 Включение диода для преобразования сигналов

6.3.1. Построить в масштабе вольт-амперную характеристику диода, полученную в работе 1. Изобразить в масштабе сигнал, как показано на рисунке 5. Действующее напряжение входного сигнала указано в таблице 5.

6.3.2. Определить амплитудное значение напряжения выходного сигнала U _ВЫХm

U _ВЫХm= (Е _Сm – U *). (3)

 

6.4 Определение гармонического состава сигнала

6.4.1 Подготовка к работе

Вызвать пакет анализа электронных схем Electronics Workbench.

Собрать схему согласно рисунку 6.

Напряжение Е _С переменного тока и частоту установить согласно варианту таблицы 5. Установить напряжение U ₀ = + U *, полученное в результате построения, т.е. рабочая точка смещена на величину + U *.

 

Таблица 5. Исходные данные для проведения расчета.

Вариант
R Ом
Е С В	2.0	1.8	1.6	1.5	1.4	1.2	1.3	1.4	1.6	1.5	1.7	1.8
f C кГц			1.2		1.4	2.2			2.6	2.8
Тип диода	D1N4933	D1N 3912	D1N4934	D1N 3910	D1N5400	D1N 3900	D1N5401	D1N 3890	D1N5402	D1N 3492	D1N5404	D1N 5391

 

Цепь канала А осциллографа желательно выделить цветом. Для этого встать курсором на соединительную линию, щелкнуть правой клавишей. Появится закладка Wire Properties, перейти в закладку Schematic Options, далее Color, Set Wire Color, выбрать желаемый цвет.

Выяснить номер выходной цепи анализа точка [3] на рисунке 6. Для этого встать курсором на точку соединения линий, щелкнуть правой клавишей.
Появится закладка Wire Properties.

В закладке Node отметить щелчком ЛКМ Displey node label. В окне отобразится номер выходной цепи. Записать его. При установке курсора на выходную цепь в нижней части экрана в строке состояний высветится название цепи и ее номер.

Двойным щелчком ЛКМ активизировать осциллограф. Нажать на осциллографе клавишу Expand, он «распахнется» на весь экран монитора.

Нажмите кнопки «АС» для канала А и «DC» - для канала В.

Установите для обоих каналов масштаб по оси амплитуд Y 1.0 V/div. По оси

времени в окне Time base установить0.10 ms/div. Установки производятся с помощью черных треугольников в соответствующих окнах.

Свернуть осциллограф, нажав кнопку Reduce.

Включить моделирование, через
3 – 5 секунд нажать кнопку Pause. Активизировать осциллограф. Кнопками треугольной формы внизу экрана подвинуть осциллограммы в центр экрана.

Слева экрана имеется визир красного цвета с номером 1 с треугольником наверху. Встать курсором на треугольник и при нажатой ЛКМ подвинуть визир на максимальное значение изображений. В левом окне под экраном отобразятся значения напряжений сигналов. Записать эти значения в протокол ведения измерений.

Зарисовать форму входного и выходного сигналов.

Свернуть осциллограф, нажав кнопку Reduce.

Выключить моделирование, нажав щелчком мыши кнопку питания схемы, .

6.4.2 Проведение измерений

1. Войти в основное меню Analysis, активизировать закладку Fourier. В появившемся меню в окне output node указать номер выходной цепи, в окне Fundamental frequency установить частоту сигнала, в окне Number of harmonics назначить 6 или 7, Vertical scale – Linear. После этого нажать кнопку Simulate.

Откроется окно анализа Analysis Graphs c представлением гармоник разложения в ряд Фурье.

 

Для выполнения измерений нажмите кнопку с вертикальными линиями , появится масштабная сетка. Нажмите кнопку с двумя визирами , поверх сетки появятся визиры а также таблица с результатами анализа. Сместите таблицу на свободное место экрана, а окно графика растяните на половину экрана.

Курсором установите левый визир на нулевую гармонику (левую). В окне значений отразится значение амплитуды гармоники и частота (частота равна нулю).
Записать эти показания в протокол измерений.

Сместить визир на первую гармонику. Записать амплитуду и частоту.

Провести измерения для остальных гармоник.

Результаты измерений свести в таблицу 6 строка 2.

Закрыть окно анализа Analysis Graphs.

2. В схеме рисунка 6 установить напряжение U ₀ равным нулю.

Включить моделирование, через 3 – 5 секунд нажать кнопку Pause. Активизировать осциллограф. С помощью визира измерить амплитудные значения сигналов. Сравнить с расчетными значениями, полученными в результате построения рисунок 5.

Повторить измерения пункта 6.4.2. Результаты записать в таблицу 6 строка 4.

3. В схеме рисунка 6 установить напряжение U ₀ равным – U *, U ₀ = – U *.

Для этого источник смещения U ₀ отсоединить от схемы, развернуть плюсом вниз и снова включить в схему.

Включить моделирование. Активизировать осциллограф. Измерить амплитуды сигналов.

Повторить измерения пункта 6.4.2. Результаты записать в таблицу 6 строка 6.

Таблица 6. Результаты измерений.

	Номер гармоники
	Амплитуда гармоники мВ При U 0 = + U *
	Относительная амплитуда
	Амплитуда гармоники мВ При U 0 = 0
	Относительная амплитуда
	Амплитуда гармоники мВ При U 0 = - U *
	Относительная амплитуда
	Амплитуда гармоники мВ При U 0 = - 2 U *
	Относительная амплитуда

4. В схеме рисунка 6 установить напряжение U ₀ равным – 2∙ U *, U ₀ = – 2∙ U *.

Повторить измерения пункта 6.4.2. Результаты записать в таблицу 6 строка 8.

6.4.3. Для любознательных

1 Определить гармонический спектр источника сигнала синусоидальной формы.

Для этого в задании на анализ в окне output node указать номер входной цепи (точка 1 рисунок 6). Напряжение U ₀ установить равным нулю.

Провести измерения пункта 6.4.2. Результаты записать в протокол ведения измерений.

2 Вместо источника синусоидального напряжения включите генератор прямоугольной формы. Установите напряжение равным 1 вольт, установить частоту своего варианта.

Провести измерения пункта 6.4.2. Результаты записать в протокол ведения измерений.