Типовой комплект учебного оборудования «Устройства генерирования и формирования сигналов»

Типовой комплект учебного оборудования «Устройства генерирования и формирования сигналов»

Методические рекомендации по выполнению лабораторных
работ

2021

СОДЕРЖАНИЕ

1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА С ПРОСТОЙ И СЛОЖНОЙ СХЕМАМИ ВЫХОДА» 3

2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 «АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ В ГЕНЕРАТОРЕ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЯТОРА С БАЗОВОЙ И КОЛЛЕКТОРНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ» 6

3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 «ИССЛЕДОВАНИЕ LC АВТОГЕНЕРАТОРА (АГ) ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ» 14

4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА КОЛПИТЦА (ЕМКОСТНАЯ ТРЕХТОЧКА).ТРЁХТОЧЕЧНАЯ ЁМКОСТНАЯ СХЕМА LC -ГЕНЕРАТОРА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ В СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ» 19

5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5«ИССЛЕДОВАНИЕ АГ С КВАРЦЕВОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ЧАСТОТЫ» 22

6 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 «ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИМПУЛЬСНОГО МОДУЛЯТОРА С ЧАСТИЧНЫМ И ПОЛНЫМ РАЗРЯДОМ НАКОПИТЕЛЯ» 25

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА С ПРОСТОЙ И СЛОЖНОЙ СХЕМАМИ ВЫХОДА»

  Цель работы

1. Освоение методики расчета и настройки по приборам генератора с простой и сложной схемами выхода.

2. Исследование нагрузочных характеристик генератора с внешним возбуждением.

3. Исследование влияния расстройки коллекторного контура на режим работы генератора.

4. Исследование зависимости режима работы генератора со сложной схемой выхода от величины связи между контурами.

В работе используются следующие модули и оборудование:

          1. Модуль «Усилитель радиочастоты».

          2. Цифровой осциллограф АКИП 4115/1А

          3.Модуль «Однофазный источник питания». 

          4. Генератор сигналов АКИП-3409/1

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретический материал по теме, продумать и уяснить порядок выполнения задания, изобразить ожидаемые графики.

2. Изучить конструкцию установки, расположение приборов, органов включения и регулировки.

3. Собрать схему на рисунке 1 (простую схему выхода). Сборка схемы заключается в соединении генератора и осциллографа со стендом. Перевести переключатель – S4 в нижнее положение; S3, S5, S6 - в правое; S2 – в левое; S1,S7 – в верхнее.

4. Представить схему для проверки преподавателю.

5. Включить тумблеры «Сеть» используемых модулей.

6. На генераторе сигналов установить питание модуля и напряжение возбуждения и в дальнейшем поддерживать их постоянными.  

          Umб = 0.8 В, ƒ = 90... 100 кГц, где Umб – напряжение возбуждения

7.Напряжение смещения Еб транзистора следует установить таким, чтобы на осциллограмме напряжения коллектора транзистора (кт4) наблюдался небольшой провал в вершине косинусоидального импульса. При этом угол отсечки должен быть около 120°. В дальнейшем Еб поддерживается постоянным. Этого можно добиться отключив колебательный контур (S3 – в левое положение), и переведя (S2 – в правое положение). Объяснить принятие таких решений (для чего мы перевели переключатели именно в такие положения). Объяснить почему сигнал получается перевернутым на выходе.

8. Возвращаем переключатели (S2, S3) в исходное состояние. Частоту напряжения возбуждения следует выставить точнее, установить такое значение частоты, чтобы наблюдался максимум показаний осциллографа в кт4, Uвых1. Изменяя значение С4 определять изменение частоты резонанса контура, произвести измерения при С и С’, значения занести в таблицу 1. Форму и амплитуду выходного напряжения наблюдаем с помощью осциллографа. Снять зависимость выходного напряжения в относительных единицах от коэффициента включения контура Uвых1 = f(p). Построить график этой зависимости. Объяснить причины влияния значения С4 на резонанс контура LC.

 

Таблица 1

С4	1000пФ	1500пФ	2000пФ	1000пФ	1500пФ	2000пФ
	С			С’
f
Uвых1

 

9. Объяснить причины спада выходного напряжения справа и слева от максимального (при изменении частоты). Можно воспользоваться осциллограммами напряжения коллектора для разных значений р.

10. Поставить S7 в нижнее положение - сложная схема. Поставить С4 в положение 3, что соответствует максимальной связи между контурами. Подстроить индуктивность так, чтобы получить максимальное выходное напряжение сигнала на Uвых2

11. Изменяя связь между контурами с помощью С4, записать показания Uвых1 и Uвых2 (таблица 2). Построить графики зависимости Uвых1 и Uвых2 от значения Ссв. 

 

Таблица 2

С4	1000пФ	1500пФ	2000пФ
Uвых1
Uвых2

 

12. Зарисовать форму выходного напряжения (Uвых1 и Uвых2) по осциллограмме (при включенном и выключенном колебательном контуре). Сравнить осциллограммы для простой и сложной схем. Сделать выводы относительно фильтрации высших гармоник и выходной мощности.

 

Задание 1

Исследование схемы с базовой модуляцией.

 

 

Рисунок 4 – Схема исследования модуляции при воздействии на базу транзистора

 

Порядок выполнения работы

1. Изучить техническое описание стенда и техническое руководство по использованию приборов.

2. Убедиться, что все выключатели модулей стенда находятся в положении «ВЫКЛ» (положение выключателя питания «0»; 

3. По указанию преподавателя, выбрать модули стенда для выполнения текущего задания. Расставить их на лабораторной стойке так, чтобы было удобно проводить эксперимент. Подготовить соединительные провода (перемычки), входящие в комплект поставки стенда.

4. Подключить защитное заземление .

5. Подключить модули стенда к сети ~220В 50Гц.

6. Соединить модули стенда согласно схеме соединений.

7. Провести эксперимент.

8. Отключить модули от сети ~220В 50Гц.

9. Составить отчет по лабораторной работе.

Задание 2

Исследование модулятора с коллекторной модуляцией.

 

Рисунок 5 – Схема модуляции при коллекторном воздействии

 

Порядок выполнения работы

1. Изучить техническое описание стенда и техническое руководство по использованию генератора и осциллографа

2. Убедиться, что все выключатели модулей стенда находятся в положении «ВЫКЛ» (положение выключателя питания «0»; 

3. По указанию преподавателя, выбрать модули стенда для выполнения текущего задания. Расставить их на лабораторной стойке так, чтобы было удобно проводить эксперимент. Подготовить соединительные провода (перемычки), входящие в комплект поставки стенда. Подготовьте к работе компьютер с установленным ПО USB –генератора и осциллографа

4. Подключить защитное заземление .

5. Подключить модули стенда к сети ~220В 50Гц.

6. Соединить модули стенда согласно схеме соединений.

7. Провести эксперимент.

8. Отключить модули от сети ~220В 50Гц.

9. Составить отчет по лабораторной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3  «ИССЛЕДОВАНИЕ LC АВТОГЕНЕРАТОРА (АГ) ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ»

Цель работы: изучение принципов работы и исследование характеристик автогенераторов синусоидальных колебаний.

Мягкий режим

Если рабочая точка находится на участке характеристики i K () с наибольшей крутизной, то режим самовозбуждения называется мягким.

Проследим за изменениями амплитуды тока первой гармоники в зависимости от величины коэффициента обратной связи К ОС. Изменение К ОС приводит к изменению угла наклона a прямой обратной связи (рисунок 2)

 

а)                                                    б)

Рисунок 2- Мягкий режим самовозбуждения

 

При К ОС = К ОС1 состояние покоя устойчиво и генератор не возбуждается, амплитуда колебаний равна нулю (рисунок  2 б). Величина К ОС = К ОС2 = К КР является граничной (критической) между устойчивостью и неустойчивостью состояния покоя. При К ОС = К ОС3 > К КР состояние покоя неустойчиво, генератор возбудится, и величина Im 1 установится соответствующей точке А. При увеличении К ОС величина первой гармоники выходного тока будет плавно расти и при К ОС = К ОС4 установится в точке Б. При уменьшении К ОС амплитуда колебаний будет уменьшаться по той же кривой и колебания сорвутся при коэффициенте обратной связи К ОС = К ОС2 < К КР.

В качестве выводов можно отметить следующие особенности мягкого режима самовозбуждения:

- для возбуждения не требуется большой величины коэффициента обратной связи К ОС;

- возбуждение и срыв колебаний происходят при одном и том же значении коэффициента обратной связи К КР;

- возможна плавная регулировка амплитуды стационарных колебаний путем изменения величины коэффициента обратной связи К ОС;

- как недостаток следует отметить большое значение постоянной составляющей коллекторного тока, что приводит к малому значению КПД.

Жесткий режим

Если рабочая точка находится на участке характеристики i K = f (u БЭ) с малой крутизной S < SMAX, то режим самовозбуждения называется жестким.

Проведем анализ режима (аналогично мягкому режиму самовозбуждения) по колебательной характеристике автогенератора Im 1 = f (Um БЭ) и характеристике Im 1 = f (К ОС), представленных на рисунках 2 а) и б) соответственно.

 

а)                                     б)

Рисунок 3- Жесткий режим самовозбуждения

 

Анализируя точки пересечения прямых обратной связи с колебательной характеристикой, приходим к выводу, что возбуждение автогенератора произойдет, когда коэффициент обратной связи превысит величину КОС3 = КОСКР. Дальнейшее увеличение КОС приводит к небольшому увеличению амплитуды первой гармоники выходного (коллекторного) тока Im 1 по пути В-Г-Д. Уменьшение К ОС до К ОС1 не приводит к срыву колебаний, так как точки В и Б устойчивы, а точка А устойчива справа. Колебания срываются в точке А, т. е. при К ОС < К ОС1, так как точка А неустойчива слева.

Таким образом, можно отметить следующие особенности работы генератора при жестком режиме самовозбуждения:

- для самовозбуждения требуется большая величина коэффициента обратной связи К ОС;

- возбуждение и срыв колебаний происходят ступенчато при разных значениях коэффициента обратной связи К ОС;

- амплитуда стационарных колебаний в больших пределах изменяться не может;

- постоянная составляющая коллекторного тока меньше, чем в мягком режиме, следовательно, значительно выше КПД.

Сравнивая положительные и отрицательные стороны рассмотренных режимов самовозбуждения, приходим к общему выводу: надежное самовозбуждение генератора обеспечивает мягкий режим, а экономичную работу, высокий КПД и более стабильную амплитуду колебаний – жесткий режим.

Стремление объединить эти преимущества привело к идее использования автоматического смещения, когда генератор возбуждается при мягком режиме самовозбуждения, а его работа происходит в жестком режиме. Сущность автоматического смещения рассмотрена ниже.

Автоматическое смещение

Сущность режима заключается в том, что для обеспечения возбуждения автогенератора в мягком режиме исходное положение рабочей точки выбирается на линейном участке проходной характеристики с максимальной крутизной. Эквивалентное сопротивление контура выбирается таким, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. В процессе нарастания амплитуды колебаний режим по постоянному току автоматически изменяется и в стационарном состоянии устанавливается режим работы с отсечкой выходного тока (тока коллектора), т. е. автогенератор работает в жестком режиме самовозбуждения на участке проходной характеристики с малой крутизной (рисунок 4).

 

Рисунок  4- Принцип автоматического смещения автогенератора

Напряжение автоматического смещения получают обычно за счет тока базы

В практических схемах начальное напряжение смещения обеспечивается с помощью базового делителя RБ1, RБ2 (рисунок  5).

 

Рисунок 5-  Cмещение с помощью базового делителя

 

В этой схеме начальное напряжение смещения

 

 

где Iд – ток делителя.

При возрастании амплитуды колебаний постоянная составляющая тока базы IБ0 увеличивается и смещение ЕБ уменьшается по величине, достигая значения ЕБСТ в установившемся режиме. Конденсатор СБ предотвращает короткое замыкание резистора RБ1 по постоянному току.

Следует отметить, что введение в схему генератора цепи автоматического смещения может привести к явлению прерывистой генерации. Причиной ее возникновения является запаздывание напряжения автоматического смещения относительно нарастания амплитуды колебаний. При большой постоянной времени t = RБ*СБ   колебания быстро нарастают, а смещение остается практически неизменным – Е Б.НАЧ. Далее смещение начинает изменяться и может оказаться меньше той критической величины, при которой еще выполняются условия стационарности, и колебания сорвутся. После срыва колебаний емкость   СБ будет медленно разряжаться через RБ и смещение вновь будет стремиться к ЕБ.НАЧ. Как только крутизна станет достаточно большой, генератор снова возбудится. Далее процессы будут повторяться. Таким образом, колебания периодически будут возникать и снова срываться.

Прерывистые колебания, как правило, относятся к нежелательным явлениям. Поэтому очень важно расчет элементов цепи  смещения проводить так, чтобы исключить возможность возникновения прерывистой генерации. Для исключения прерывистой генерации в схеме (рисунок  3) величину C Б выбирают из равенства

 

4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА КОЛПИТЦА (ЕМКОСТНАЯ ТРЕХТОЧКА).ТРЁХТОЧЕЧНАЯ ЁМКОСТНАЯ СХЕМА LC -ГЕНЕРАТОРА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ В СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ»

Задание 1

Испытание LC-генератора синусоидальных колебаний на транзисторе (схема Колпитца) 

 

                          

 

Рисунок 2

 

1.    Использовать схему (Рисунок 2)  модуля:   «LC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ».

2.  Для измерения частоты и формы сигнала на выходе АГ (КТ3) использовать осциллограф AКИП4115/1А.

3. Собрать схему испытания, предварительно установив положение ручки «НАГРЕВ», «Uпит»  в левое крайнее положение, R1,Rсм – в среднее положение, C2,L –в произвольное положение.

4. Выставить на КТ2 напряжение питания = 12В (max) ручкой «Uпит». Измерение напряжения питания производить мультиметром Mastech MY62

3.  Проверить схему испытания.

4.  Определить (по осциллограмме) амплитуду выходного напряжения U_{m .вых} и частоту f генерируемых колебаний (при R1, Rсм, C2, L = min). Сравнить полученное значение частоты с расчётным значением  ,где

  L = 1мГн, 5мГн, 10мГн (поз1,2,3)

      С1= 0,01мкФ

      C2 = 0,01; 0,02; 0,05 мкФ(поз1,2,3)

      С4= 10нФ

      R2    = 10кОм,

      С3 = 0,015 мкФ

       R1 = 1…11кОм

      Rсм = 1…11 кОм

       Rн=10кОм.

5. Снять значения частоты при различных значениях   С2 и L, занести их в таблицу 1.

Таблица 1

R1, Rсм = min			R1, Rсм = max
C=	L=	f=	C=	L=	f=

 

6. Рассчитать теоритически значения при трех различных положениях C2 и L, с помощью R1 и Rсм добиться совпадения теории с практикой (указать положение R1 и Rсм в процентах).

7. Определить влияние напряжения смещения на базе транзистора на режим возбуждения схемы. Для этого Uпит – min, перевести R1 и Rсм в положение соответствующему (10%, 50%, 100%), L – в положение 1, С2 – в положение 2. Изменяя положение рукоятки Uпит определить режим возбуждения.

8. Определить диапазон напряжения питания каскада,в котором происходит возбуждение генератора (Umin, Umax). Для этого вращать ручку «+Uпит» и проводить замеры напряжения питания в «КТ2»

 Снять зависимость частоты АГ от напряжения питания. Данные опытов занести в таблицу 1. По данным таблицы построить график f = ƒ(Uпит).  

 

Таблица 1

№опыта	1	2	3	4	….	n
f,кГц
Uпит	Umin=					Umax=

9. Установить среднее значение частоты автогенератора и проверить влияние температуры нагрева транзистора на частоту и форму сигнала. Для этого включить мультиметр в режим измерения температуры, вставить датчик в гнездо t*С.

 Медленно вращая ручку «НАГРЕВ» наблюдать работу генератора при разных значениях температуры. Данные занести в таблицу с шагом температуры 10*. Максимальное значение температуры 70*. Данные занести   в таблицу2. Максимальное значение температуры 70…75°С. Построить график зависимости частоты АГ от температуры  f = ƒ(T°С).   Сделать выводы.

 

Таблица 2

№опыта	1	2	3	4	5	6
f,кГц
T°С град	Т среды	30	40	50	60	70

 

10. Исследовать влияния величины коэффициента обратной связи на угол отсечки и режим прерывистой генерации. Для этого L – в положение 1, С2 – в положение 3, R1 и Rсм в положение соответствующему 10%. Крутить ручку питания до появления возбуждения на КТ3 (требуется корректировать R1 и Rсм в пределах ±5%). Напряжение питания снимать с КТ2. Добиться режима прерывистой генерации.

 

Задание 2

1.Исследовать схему емкостной трехточки по схеме с общим эммитером (схема КЛАППА)

2. Провести исследования как в задании 1.

3. 10-й пункт: выставить рукояткой питания Uвх=max, R1=50%, L – в положение 1, С2 – в положение 3, вращая Rсм добиться режима прерывистой генерации.

 

Порядок выполнения работы

1. Изучить техническое описание стенда и техническое руководство по использованию приборов.

2. Убедиться, что все выключатели модулей стенда находятся в положении «ВЫКЛ» (положение выключателя питания «0»; 

3. Выбрать модуль «КВАРЦЕВЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР» для выполнения текущего задания. Расставить модули на лабораторной стойке так, чтобы было удобно проводить эксперимент. Подготовить соединительные провода (перемычки), входящие в комплект поставки стенда. Подготовьте к работе осциллограф 

4. Подключить защитное заземление .

5. Подключить модули стенда к сети ~220В 50Гц.

6. Соединить модули стенда согласно схеме соединений.

7. Провести эксперимент.

8. Отключить модули от сети ~220В 50Гц.

9. Составить отчет по лабораторной работе.

Задание 1

Порядок выполнения работы

1. Изучить техническое описание стенда и техническое руководство по использованию приборов.

2. Убедиться, что все выключатели модулей стенда находятся в положении «ВЫКЛ» (положение выключателя питания «0»; 

3. Выбрать модуль «ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР» для выполнения текущего задания. Расставить модули на лабораторной стойке так, чтобы было удобно проводить эксперимент. Подготовить соединительные провода (перемычки), входящие в комплект поставки стенда. Подготовьте к работе осциллограф, генератор.

4. Подключить защитное заземление .

5. Подключить модули стенда к сети ~220В 50Гц.

6. Соединить модули стенда согласно схеме соединений.

7. Провести эксперимент.

8. Отключить модули от сети ~220В 50Гц.

9. Составить отчет по лабораторной работе.

Заметки

 

 

Типовой комплект учебного оборудования «Устройства генерирования и формирования сигналов»

Методические рекомендации по выполнению лабораторных
работ

2021

СОДЕРЖАНИЕ

1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА С ПРОСТОЙ И СЛОЖНОЙ СХЕМАМИ ВЫХОДА» 3

2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 «АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ В ГЕНЕРАТОРЕ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЯТОРА С БАЗОВОЙ И КОЛЛЕКТОРНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ» 6

3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 «ИССЛЕДОВАНИЕ LC АВТОГЕНЕРАТОРА (АГ) ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ» 14

4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА КОЛПИТЦА (ЕМКОСТНАЯ ТРЕХТОЧКА).ТРЁХТОЧЕЧНАЯ ЁМКОСТНАЯ СХЕМА LC -ГЕНЕРАТОРА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ В СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ» 19

5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5«ИССЛЕДОВАНИЕ АГ С КВАРЦЕВОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ЧАСТОТЫ» 22

6 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 «ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИМПУЛЬСНОГО МОДУЛЯТОРА С ЧАСТИЧНЫМ И ПОЛНЫМ РАЗРЯДОМ НАКОПИТЕЛЯ» 25