Изучение нелинейного резонансного усиления

гармонического сигнала

Переключите генераторно-измерительную систему в режим измерения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров). Включите отобра­жение генерируемого и измеряемого сигналов.

Сформируйте гармонический сигнал:

u (t) = u ₀ + U_m cos (ω₀ t),

где u ₀=500 мВ, U_m =400 мВ, f ₀= f _р (c точностью 0,25 кГц). Подберите удобные пределы отображения по времени (2÷3 периода) и по частоте (от 0 до 4 f ₀).

Для наблюдения осциллограмм коллекторного тока переключите измеритель с выхода усилителя на специальный «токовый» выход (гнездо «I _э»). Изменяя напряжение смещения u ₀, наблюдайте изменение импульсов коллекторного тока. Подберите смещение так, чтобы угол отсечки был примерно равен 90^о. Запишите значение u ₀.

Снова подключите измеритель к выходу усилителя (гнездо «U ₂»). Изменяя амплитуду входного напряжения U_m, наблюдайте изменение амплитуды выходного напряжения V_m. Подберите амплитуду U_m =0,8 U_{m .кр} (при U_m > U_{m .кр} она практически перестает влиять на V_m).

Для установленного режима зарисуйте осциллограммы и спектрограммы входного напряжения, а под ними — осциллограммы и спектрограммы коллекторного тока и выходного напряжения. Определите и запишите коэффициент передачи резонансного усилителя в «недонапряженном» режиме k _р1= V_m / U_m.

3. Изучение удвоения частоты гармонического сигнала

Уменьшите частоту гармонического сигнала вдвое (f ₀= f _р /2) и повторите зарисовку осциллограмм и спектрограмм напряжений и тока. Определите коэффициент передачи удвоителя частоты k _р2= V_{m 2}/ U_m и сравните его с коэффициентом передачи резонансного усилителя k _р1 (измеренным в п.2).

4. Изучение колебательных характеристик резонансного усилителя

Переключите генераторно-измерительную систему в режим измерения колебательных характеристик нелинейных цепей. Задайте постоянное смещение u ₀, подобранное в п.2, и частоту f ₀= f _р. Включите отобра­жение измеряемой характеристики и запустите автоматическое измерение колебательной характеристики. Подберите удобные пределы измерений (примерно 0< U_m <2 U_{m .кр}) и удобный шаг измерений.

Коррекцией смещения добейтесь максимальной линейности начального участка колебательной характеристики (запишите скорректированное смещение). Зарисуйте измеренную колебательную характеристику.

Включите отобра­жение расчетной колебательной характеристики. Методом подбора параметров математической модели, дающих наилучшую аппроксимацию измеренной характеристики, измерьте параметры резонансного усилителя («напряжение начала» характеристики транзистора u _н и уточненный коэффициент передачи усилителя в «недонапряженном» режиме k _р= dV_m / dU_m = SR _р/2).

Изменяя напряжение смещения, наблюдайте его влияние на колебательную характеристику. Зарисуйте измеренные колебательные характеристики еще при двух значениях напряжения смещения, отличающихся от исходного на 0,2 В в каждую сторону (новые характеристики нанесите на ранее построенный график).

5. Изучение нелинейного резонансного усиления АМ-сигнала

Вернитесь в режим измерения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров). Включите отобра­жение генерируемого и измеряемого сигналов.

Сформируйте АМ-сигнал с гармоническим законом модуляции:

u (t) = u ₀ + U _нес (1 + M cos (Ω t +Φ)) cos (ω₀ t),

где u ₀ — выбранное в п.4 смещение, U _нес= U_{m .кр}/2, М =0,8, F =0,5 кГц, f ₀= f _р (c точностью 0,25 кГц). Подберите удобные пределы отображения по времени (2÷3 периода модуляции) и по частоте (в пределах f ₀±4 F).

Убедитесь в отсутствии искажений выходного сигнала. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы «неискаженного» выходного сигнала.

6. Изучение нелинейных искажений при резонансном усилении

АМ-сигнала

Отклоняясь от установленного в п.5 «оптимального» режима (изменяя u ₀ и U _нес), наблюдайте возникающие при этом искажения передаваемого сигнала. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы искаженных выходных сигналов для трех наиболее характерных случаев (аналогично п.5 домашнего задания).

Контрольные вопросы

1. Что такое колебательная характеристика резонансного усилителя?

2. Как рассчитать колебательную характеристику резонансного усили­теля, если характеристика транзистора аппроксимирована кусочно-линей­ной функцией? Степенным полиномом?

3. Какой вид имеет семейство колебательных характеристик для различных напряжений смещения?

4. Что такое недонапряженный режим? Перенапряженный режим? Критический режим? Какой вид имеют осциллограммы коллекторного тока в недонапряженном и перенапряженном режимах?

5. Как изменится семейство колебательных характеристик резонансного усилителя, если изменить напряжение источника коллекторного питания? Резонансное сопротивление контура?

6. Как следует выбирать параметры контура и режим работы резонансного усилителя для обеспечения неискаженного усиления амплитудно-модулированных колебаний? Изобразите осциллограммы напряжения на базе, коллекторного тока и напряжения на контуре при работе в этом режиме.

7. Резонансный усилитель работает в режиме неискаженного усиления амплитудно-модулированных колебаний. Как изменится осциллограмма выходного напряжения, если изменить амплитуду несущей входного напряжения? Смещение? Напряжение источника коллекторного питания? Резонансное сопротивление контура?

__________

Лабораторная работа № 6

АМПЛИТУДНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ

ДИОДНЫМ ДЕТЕКТОРОМ

Цель работы — на примере амплитудного детектирования освоить методику спектрального анализа прохождения радиосигналов через линейные и нелинейные цепи.

Изучаются следующие основные вопросы:

1) понятие амплитудного детектирования сигналов; 2) процесс амплитудного детектирования сигналов диодным детектором (качественное описание); 3) понятие детекторной характеристики; 4) вид детекторной характеристики диодного детектора при сильных и слабых сигналах; 5) нелинейные искажения при амплитудном детектировании; 6) искажения при амплитудном детектировании из-за неоптимальности линейного НЧ-фильтра.

Домашнее задание

Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебник [1] (§ 11.5), учебные пособия [2÷4] и конспект лекций.

1. Изобразите схему последовательного диодного детектора (нагрузка включена последовательно с диодом). На схеме укажите стрелками входное и выходное напряжения.

2. Изобразите характер осциллограмм, поясняющих работу рассматриваемого детектора в режиме детектирования немодулированного сигнала. При этом для каждого из нижеуказанных случаев изобразите осциллограмму немодулированного входного напряжения u (t) и — на том же графике — ожидаемую осциллограмму выходного напряжения v (t).

Рассмотрите следующие случаи:

· емкость нагрузки С =0;

· емкость нагрузки недостаточна для нормальной фильтрации выходного напряжения;

· емкость нагрузки С ®¥ (на этом графике обозначьте характерные значения — амплитуду U_m входного напряжения и постоянное выходное напряжение v ₀).

3. Выпишите формулы для расчета детекторной характеристики v ₀(U_m) и коэффициента детектирования k _д диодного детектора при сильных сигналах.

4. Изобразите характер:

· зависимости выходного напряжения v ₀ от сопротивления нагрузки R;

· семейства детекторных характеристик при различных значениях сопротивле­ния нагрузки R.

5. Изобразите характер осциллограмм входного u (t) и выходного v (t) напряжений при подаче на вход детектора амплитудно-модулированного напряжения (с коэффициентом модуляции около 0,8) для трех случаев:

· емкость нагрузки недостаточна;

· емкость нагрузки выбрана правильно;

· емкость нагрузки чрезмерно велика.

Лабораторное задание

Подготовка установки к работе

Соберите последовательный диодный детектор (сопротивление нагрузки R ≈10 кОм, емкость нагрузки С ≈5 нФ). Подключите к детектору генераторно-измери­тельную систему: генераторный выход системы — к входу детектора, а измерительный вход системы — к выходу детектора.

Запустите генераторно-измеритель­ную систему (ее ярлык — на рабочем столе). Установите режим изу­чения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров).

Включите отобра­жение расчетного входного сигнала и сформируйте гармонический сигнал:

u (t) = u ₀ + U_m cos (ω₀ t),

где u ₀=0, U_m =5 В, f ₀=10 кГц («точность» 0,5 кГц). Установите удобные пределы отображения (примерно ± 100 мкс по времени и 0÷10 кГц по частоте).

Включите отобра­жение реального генерируемого сигнала. Проверьте, что у генерируемого напряжения действительно u ₀=0 и U_m =5 В. Если это не так, то выполните сервисную программу «калибровка». После этого отобра­жение расчетного входного сигнала можно отключить.

Включите отобра­жение реального измеряемого сигнала. Убедитесь, что наблюдаемое семейство осциллограмм входного u (t)и выходного v (t)напряжений качественно соответствует ожидаемому.

1. Изучение влияния емкости нагрузки на процесс детектирования

Подключая параллельно резистору различные конденсаторы (в порядке увеличения емкости), наблюдайте влияние емкости нагрузки C на выходной сигнал. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы входного и выходного напряжений для трех характерных случаев:

· С = С _п (паразитная емкость при отключенном конденсаторе);

· емкость нагрузки недостаточна для нормальной фильтрации выходного напряжения;

· С = С _макс (конденсатор с максимальной емкостью).

Здесь и далее на зарисованных графиках должны быть приведены шкалы значений измеряемых величин и указаны условия эксперимента.

Оставив в схеме конденсатор с максимальной емкостью, увеличьте час­тоту гармонического сигнала до 200 кГц. Установите новые пределы ото­бражения: примерно ± 1 мс по времени (при этом осциллограмма вход­ного напряжения «сжимается» в сплошную полосу) и 0÷500 кГц по час­тоте. Отключив и снова подключив конденсатор нагрузки, обратите вни­мание, как теперь выглядят на осциллограмме неотфильтрованные ВЧ-со­ставляющие выходного напряжения.

Дальше работайте в новом режиме отображения.

2. Изучение влияния сопротивления нагрузки