По выполнению лабораторных работ

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ лабораторных РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Теория электрической связи»

для студентов специальности

Сети связи и системы коммутации»

 

Белгород 2006

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1. Введение ……………………………………………………………3

2. Краткое описание лабораторного стенда…………………………4

3. Измерительные приборы и способы измерений, применяемые

при проведении лабораторных работ на установках по ТЭС 7

4. Назначение органов управления осциллографа типа GO3-620….9

5. Инструкция по использованию программного пакета «Теория электрической связи» (ТЭС)………………………………………14

6. Лабораторная работа №1. Усиление сигналов………………….18

7. Лабораторная работа №2. Исследование LC- генератора……...27

8. Лабораторная работа №3. Преобразование частоты……………34

9. Лабораторная работа №4. Умножение частоты…………………40

10. Лабораторная работа №5. Амплитудная модуляция…………….45

11. Лабораторная работа №6. Детектирование АМ- колебаний……51

12. Лабораторная работа №7. Исследование частотного модулятора………………………………………………………….56

13. Лабораторная работа №8. Исследование детектораЧМ сигналов…………………………………………………………….63

14. Лабораторная работа №9. Дискретизация непрерывных

сигналов по времени (теорема Котельникова)…………………..69

15. Лабораторная работа №10. Исследование спектров сигналов. Характеристики электрических сигналов электросвязи………...80

16. Лабораторная работа №11. Преобразование формы и спектра сигналов безинерционным нелинейным элементом…………….85

17. Лабораторная работа №12. Цифровая система связи…………...91

18. Приложение 1………………………………………………………95

19. Литература……………………………………………………… 103

 

Введение.

 

Методические рекомендации к лабораторным работам по дисциплине «Теория электрической связи» составлена в соответствии с действующей программой.

Экспериментальные исследования в работах представленного цикла позволяют наблюдать процессы формирования и обработки различных классов сигналов, а также измерять на практике их параметры.

Проведение исследований в лабораторных работах дает большой эффект только в том случае, когда соответствующие электрические устройства и происходящие в них процессы изучены теоретически. Поэтому в методических рекомендациях к каждой лабораторной работе приводится теоретическая часть, позволяющая более четко уяснить цель лабораторной работы и сделать выводы по результатам эксперимента. Исследованиям в лаборатории должны предшествовать самостоятельные занятия студента с конспектом лекций, учебной литературой и ознакомление с теоретической частью лабораторной работы.

Студент допускается к выполнению лабораторной работы только при условии, что он отчетливо представляет цель исследований и порядок их проведения при выполнении лабораторной работы.

Во время самостоятельной подготовки к лабораторной работе студент должен провести расчеты, которые указаны в разделе самостоятельной подготовки студентов или в контрольных вопросах.

Для допуска к выполнению очередной лабораторной работы необходимо нарисовать структурные схемы измерений, которые собираются при проведении лабораторной работы. При выполнении лабораторных работ студент должен собирать измерительные электрические схемы по заранее нарисованным схемам.

Результаты предварительной подготовки к лабораторной работе и результаты эксперимента заносятся в отчет, форма которого дается в приложении.

 

Расположение и назначение органов управления (передняя панель).

CAL - Выход капибратора 2 В и частотой 1 кГц.

INTEN (яркость) - Регулирует яркость изображения.

FOCUS (фокус) - Регулировка фокуса изображения.

TRACE ROTATION (поворот) - Регулировка изображения, парaлельно линиям шкапы

POWER - При включении сети, загорается индикатор.

POWER -Включатель сетевого питания.

VOL TS/DIV (вольт/дел) - Устанавливают коэффициенты отклонения каналов от 5 мВ/дел до 5 В/дел в 10 диапазонах.

СН 1(Х), СН 2(У) - (Канал 1) вход канanа 1. (Канал 2) вход канала 2. В режиме X-Y, входной канал Х-оси. В режиме X-Y, входной канaл Y-ocu.

VARIABLE (плавно) - Плавное изменение коэффициентов отклонения каналов с перекрытием не менее чем в 2.5 раза в каждом положении переключателей в/дел. Когда ручка вытянута (режим х5 раз) происходит увеличение амплитуды в 5 раз.

AC-DC-GND Переключатель режима входов усилителя.

АС: закрытый вход

DC: открытый вход

GND: Вход усилителя отключается от источника сигнала и заземляется.

POSITION (положение) - Регулировка положения лучей обеих каналов по вертикaли.

ALT/CHOP -Когда кнопка отжата в двухканальном режиме, режим работы коммутатора выбирается автоматически исходя из положения ручки время/дел. При нажатии на кнопку коммутатор принудительно переключается в режим попеременный.

СН1 и СН2 DC BAL -Балансировка канапов 1 и 2.

14. VERT MODE (режимы) - Переключатель режима работы усилителя в положениях:

СН 1: на экране наблюдается сигнал канanа 1.

СН 2: на экране наблюдается сигнал канanа 2.

ALT: на экране наблюдаются изображения сигнanов обоих каналов.

ADD: На экране наблюдается апгебраическая сумма или разность (при нажатии кнопки СН 2 INV сигналов каналов 1 и 2).

GND гнездо подключения заземления.

INV СН 2 (инвертирование в канале 2) - Инвертирование сигнала в канале 2.

СН1 и СН2 DC BAL - Балансировка канапов 1 и 2.

AC-DC-GND - Переключатель режима входов усилителя.

АС: закрытый вход

DC: открытый вход

GND: Вход усилителя отключается от источника сигнала и заземляется.

POSITION (положение) - Регулировка положения лучей обеих каналов по вертикanи.

СН 1(Х), СН 2(У) (Канал 1) вход канanа 1. (Канал 2) вход канала 2. В режиме X-Y, входной канал Х-оси. В режиме X-Y, входной канaл Y-ocu.

VARIABLE (плавно) - Плавное изменение коэффициентов отклонения каналов с перекрытием не менее чем в 2.5 раза в каждом положении переключателей в/дел. Когда ручка вытянута (режим х5 раз) происходит увеличение амплитуды в 5 раз.

VOL TS/DIV (вольт/дел) - Устанавливают коэффициенты отклонения каналов от 5 мВ/дел до 5 В/дел в 10 диапазонах.

SOURCE (источник). Выбирает режим внутренней и внешней синхронизации.

СН 1 (канал 1), (Х-У) - Развертка синхронизируется сигналом с первого канала.

СН 2 (канал 2) -Развертка синхронизируется сигналом со второго канanа.

LINE (сеть) -Развёртка синхронизируется от сети.

ЕХТ (внешний) - Развёртка синхронизируется внешним сигналом.

TRIG IN -Вход сигнала внешней синхронизации.

25. TRIGER MODE - Выбор режима работы запуска развертки:

AUTO -если нет сигнала синхронизации или он меньше 25 Гц, развертка переходит в автоколебательный режим;

NORM -развертка запускается только при напичии входного сигнала;

TV-V -синхронизация по вертикaли (по кадрам);

TV- H -синхронизация no горизонтали (по строкам);

В обоих режимах полярность сигнanа должна быть отрицательной.

SLOPE (полярность)–Переключатель полярности синхронизирующего сигнала.

"+"-Развёртки синхронизируются положительным перепадом исследуемого сигнaла.

'-" - Развёртки синхронизируются отрицательным перепадом исследуемого сигнала.

TRIG ALT - Развертка поочередно синхронизируется сигналом с 1-го и 2-го каналов.

LEVEL (уровень) - Выбирает уровень исследуемого сигнала, при котором происходит запуск развёртки каналов.

TIME/DIV (Время/дел) - Устанавливает коэффициент развёртки от 0,2 мкс/дел до 0,5 с/дел 20 ступенями. При переводе в положение X-Y обеспечивается наблюдение фигур Лиссажу.

SWP VAR (развертка плавно) - Обеспечивает плавную регулировку коэффициента развертки с перекрытием 2,5 раза в каждом положении переключателя время/дел.

Х10 MAG (увеличение в 10 раз) частота развертки увеличивается в 10 раз.

POSITION (положение). Перемещает изображение по горизонтапи.

Масштабная сетка

Расположение и назначение органов управления (задняя панель).

Z-AXIS IN PUT - Вход для подачи сигнала, модулирующего яркость луча.

СН 1 OUTPUT - Выход сигнала канала 1 с напряжением приблизительно 20 мВ/дел при нагрузке 50 Ом, для подключения частотомера или другого измерительного прибора.

Вход сетевого напряжения.

Предохранители.

Ножки осциллографа.

Вольтметр и микроамперметр, имеющийся в лабораторной установке, работают на использовании явления электромагнитной индукции. Измерительная головка этих приборов относится к электродинамической системе.

В состав головки входит постоянный магнит, между полюсами которого установлена рамка из проволоки, способная вращаться вокруг своей оси. К рамке жестко крепится стрелка измерительного прибора. При протекании электрического тока по виткам рамки вокруг нее создается магнитное поле. Взаимодействие магнитного поля рамки с током и магнитного поля постоянного магнита вызывает появление механического вращающего момента. Рамка со стрелкой поворачивается от силы тока, протекающего по виткам рамки.

Особенностью приборов магнитоэлектрической системы является то, что они могут измерять только электрические величины постоянного тока. Для использования приборов такой системы в цепях переменного тока в его схему устанавливают выпрямительный диод.

Наиболее общим требованием к любой измерительной системе или прибору, является - минимальное влияние на измеряемую цепь. С учетом этого требования сопротивление измерительной системы вольтметра должно быть большим, т.к. вольтметр подключается параллельно участку цепи на котором измеряется падение напряжения. Амперметр включается в цепь последовательно (в разрыв цепи). Поэтому сопротивление его измерительной системы должно быть минимальным.

Большое количество электроизмерительных приборов являются многопредельными. Многопредельные приборы позволяют расширить пределы измерений, повысить точность измерений и предотвратить выход из строя измерительного прибора.

Для расширения пределов измерений амперметра параллельно его измерительной головки включают резисторы, которые называют шунтами. Для расширения пределов измерения вольтметра в его схему последовательно с измерительной головкой подключают добавочные сопротивления. В многопредельном амперметре используется первый закон Кирхгофа, а в многопредельном вольтметре- второй закон Кирхгофа.

Цифровые измерительные приборы имеют более сложную принципиальную схему и конструкцию. Объясняется это тем, что в цифровом измерительном приборе значение измеряемого тока, напряжения или другого параметра необходимо преобразовать в последовательность импульсов, фиксируемых цифровой измерительной головкой.

 

Лабораторная работа №2

Усиление сигналов.

 

Теория.

 

Усилителем называется четырехполюсник, предназначенный для того, чтобы за счёт энергии источника питания увеличить интенсивность колебаний, не изменяя по возможности их форму (при необходимости).

Увеличение интенсивности выражается в усилении колебаний по напряжению, току или мощности. Соответственно различают усилители напряжения, тока и мощности. Следует заметить, что в усилителях напряжения и тока сигнал усиливается и по мощности, хотя это не определяется их назначением.

Необходимая для усиления энергия поступает от источника питания обычно постоянного тока, вместе с тем ток в сопротивлении нагрузки усилителя должен иметь форму усиливаемого сигнала. Следовательно, в усилителе должно происходить преобразование и этим процессом должен управлять сигнал, подводимый ко входу усилителя.

Преобразование осуществляется посредством электронной лампы, транзистора или другого нелинейного элемента, причём для управления ими источник сигнала или совсем не расходует мощности или эта мощность очень мала.

По характеру нагрузки усилители делятся на апериодические и избирательные. В первых сопротивление нагрузки значительно меньше зависит от частоты, чем во вторых. Усилители звуковых частот обычно апериодические, т.к. они усиливают управляющие сигналы с шириной спектра F_max –F_min, значительно большей, чем минимальная частота этого спектра F_min. Наоборот, для спектра частот радиосигналов характерно неравенство f_max –f_min <<f_min, и поэтому усилитель радиочастот должен быть избирательным. Это достигается тем, что в качестве нагрузки используют колебательные системы.

Итак, усилитель содержит нелинейные и линейные элементы, а также источники питания. В общем случае усилитель является активным нелинейным четырёхполюсником. Если же, как в усилителях напряжения или малой мощности, амплитуда возбуждения невелика и управляемый элемент, полностью работает на прямолинейном участке вольтамперной характеристики, то усилитель становится активным линейным четырёхполюсником. К нему можно применять принцип суперпозиции и все понятия, относящиеся к линейным пассивным четырёхполюсникам.

Типы усилителей.

По роду усиливаемых электрических сигналов усилители разделяют на две группы:

Усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления квазипериодических сигналов различной величины и формы, т.е. сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности переходных процессов в цепях усилителя.

Усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления импульсов различной величины и формы. Переходные процессы в цепях этих усилителей должны протекать с такой скоростью, чтобы обеспечить допустимые искажения формы усиливаемых импульсов.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот, усилители делят на следующие типы:

Усилители постоянного тока (точнее, усилители медленно меняющихся напряжений и токов), предназначенные для усиления электрических колебаний любой частоты, т.е. усиливающие как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

Усилители переменного тока, предназначенные для усиления электрических колебаний любой частоты, но не усиливающие постоянную составляющую сигнала.

Усилители радиочастоты, предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты (как модулированной, так и немодулированной). УРЧ характеризуются отношением высшей рабочей частоты к низшей, близким к единице.

Усилители видеочастот, характеризуются большим соотношением высшей и низшей частот рабочего диапазона. К этому же типу относятся широкополосные усилители и усилители звуковых частот.

Кроме того, усилители разделяются на усилители прямого усиления, в которых подводимые электрические колебания усиливаются непосредственно, без преобразования частоты этих колебаний, и усилители с преобразованием, в которых спектр частот усиливаемых колебаний преобразуется.

Избирательные усилители усиливают электрические сигналы в узкой полосе частот, их усиление резко падает на частотах выше и ниже рабочей полосы. Избирательные усилители подразделяют на резонансные и узкополосные. В резонансных усилителях нагрузкой являются колебательные системы, а в узкополосных – фильтры.

Режимы работы усилительного элемента.

Режим А.

 

Режимом А, называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала (угол отсечки Q=180⁰) и крайнее положение рабочей точки не выходят за пределы сравнительно прямолинейной части входной характеристики транзистора.

Углом отсечки называется половина интервала времени, выраженного в градусах или радианах, в течение которого протекает ток в нагрузке усилителя за один период колебания.

 

 

1- точка запирания транзистора;

2- исходное положение рабочей точки на характеристике (сигнал отсутствует).

Основным достоинством усилителя, работающего в режиме А, являются минимальные искажения сигнала, а недостатком - низкий КПД.

 

Режим В.

Режимом В называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи протекает в течение половины периода сигнала (угол отсечки Q=90⁰). Рабочая точка в исходном состоянии находится в точке запирания усилительного элемента. Ток покоя в режиме В равен нулю, а выходной ток протекает в течение 2Q= π.

 

 

 

В результате значительно повышается КПД усилителя, но возрастают нелинейные искажения за счёт искажения формы выходного тока.

Режим В широко применяют в 2^х-тактных усилителях, которые обеспечивают высокий КПД и невысокий уровень нелинейных искажений за счёт подавления чётных гармоник. На практике широко используют промежуточный режим АВ в 2^х-тактных усилителях, когда рабочая точка в исходном состоянии выбирается правее точки запирания 1 усилительного элемента на криволинейном участке входной характеристики усилительного элемента. В режиме АВ незначительно снижается КПД, но заметно уменьшаются нелинейные искажения. В усилителях однотактных импульсных сигналов режим В может применяться в однотактной схеме.

 

Режим С.

 

Режимом С называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в его выходной цепи при подаче на вход синусоидальной ЭДС протекает меньше половины периода. Для этого рабочая точка в исходном состоянии (сигнал на входе отсутствует) выбирается напряжением смещения левее точки запирания усилительного элемента. Угол отсечки выходного тока Q<90⁰. Ток покоя в режиме С равен нулю. Разложение выходных импульсов в ряд Фурье показывает, что даже при прямолинейности динамической характеристики каскада выходной ток имеет постоянную составляющую, а также чётные и нечётные гармоники. Режим С широко используют в мощных резонансных усилителях передающих устройств, где нагрузкой является параллельный колебательный контур, настроенный на частоту подаваемого на вход сигнала.

Использование режима С в мощных усилителях объясняется его высоким КПД, т.к. при отсутствии сигнала усилительный элемент закрыт и ток покоя I₀=0.

Основным недостатком усилителей, работающих в режиме С, является сильная степень искажений выходного сигнала относительно входного.

 

 

Режим D.

Режимом D или ключевым режимом называют такой режим работы, при котором усилительный элемент в течение рабочего цикла находится только в двух состояниях: или полностью заперт, а, следовательно, текущий через него ток равен нулю, или полностью открыт, а, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю. В таком режиме потери питающей энергии в усилителе незначительны, а, следовательно, КПД усилителя высокий. Режим D эффективен в цифровых устройствах и системах автоматики.

Основные параметры усилителей.

I. Коэффициент усиления: по напряжению ;

по току ; по мощности . Коэффициент усиления обычно выражают в децибелах

lqK_i=20lqK_U=10lqK_P.

II. Амплитудно-частотная характеристика – зависимость амплитуды напряжения сигнала на выходе усилителя от частоты при неизменном уровне сигнала на его входе. Неравномерность АЧХ - это отношение наибольшего и наименьшего значений напряжения на выходе в заданном диапазоне частот, выраженное в децибелах.

III. Входное сопротивление – сопротивление входа усилителя для переменного тока.

IV. Выходное сопротивление- сопротивление выхода усилителя для переменного тока.

V. Нелинейные искажения обусловлены нелинейностью вольтамперных характеристик усилительных элементов. При этих искажениях на выходе усилителя появляются новые компоненты спектра частот, отсутствующие на входе. При подаче на вход усилителя одновременно двух или нескольких синусоидальных сигналов на выходе, кроме этих частот появляются их высшие гармоники и комбинационные частоты, равные сумме и разности любых гармоник каждого сигнала, подведённого к входу. Эту разновидность нелинейных искажений называют интермодуляционными искажениями.

VI. Переходные искажения появляются в результате наложения на воспроизводимый сигнал колебаний, обусловленных неустановившимися процессами в усилителе. Количественно они оцениваются по переходной характеристике. Переходная характеристика усилителя- это зависимость амплитуды выходного напряжения от времени после включения на его вход сигнала. По переходной характеристике линейного устройства можно вычислить его АЧХ и ФЧХ (Фазочастотная характеристика).

VII. Помехи в усилителях обусловлены собственными шумами, фоном и наводками.

VIII. Чувствительность усилителя - напряжение сигнала на входе при номинальном уровне сигнала на его выходе.

IX. Амплитудная характеристика усилителя - зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды сигнала на его входе.

X. Динамический диапазон амплитуд - отношение (обычно в децибелах) амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов.

Цель работы

Исследование процессов усиления сигналов в линейном и нелиней­ном режимах.

Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется сменный блок ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГ­НАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ. Схема исследуемой цепи приведена на рис. 2.1 и представляет со­бой усилительный каскад на полевом транзисторе.

 

 

 

Рис 2.1 Схема исследуемой цепи.

 

Выбор нагрузки в цепи стока (резистор R либо коле­бательный LC контур) осу­ществляется кнопками пере­ключателя «НАГРУЗКА». Изменение резонансных КТ2 свойств контура достигается с помощью кнопки «R_ш», ко­торая шунтирующий рези­стор (R_ш=10 кОм) подключа­ет параллельно LC контуру, уменьшая его добротность.

В работе используется сток- затворная характери­стика полевого транзистора,

Снятие вольтамперной (сток-затворной) характеристики полевого транзистора I_c⁼f(Ecм)производится путем последовательной установки ряда напряжений смещения (см. табл.2.1), измеряя для каждого из них значения тока стока «I_с».

 

Таблица 2.1

Сток- затворная характеристика полевого транзистора

 

Eсм	В		-0,5	-1	-1,5	…	U0
U	мА

 

 

Для последнего необходимо на­жать кнопку «I_с» и снять отсчет со встро­енного миллиамперметра.

При этом следует учесть, что полное отклонение стрелки этого прибора -5,0 мА, оно не зависит от положения пере­ключателя пределов измерений. Во избе­жание ошибок при снятии вольт- амперной характеристики следует отключать все провода от входов сумматора.

После заполнения таблицы построить график I_c(Е_см), подобный рис.2.2.

Рис. 2.2. Сток- затворная характеристика полевого транзистора

 

 

Источником входного сигнала служит встроенный диапазонный генератор, который подключается к любому входу сумматора, например, к гнездам 1.

В качестве измерительных приборов используется встроенный вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и ПК. Кроме того, диодный детектор макета (на рис. 2.1 не показан) и стрелоч­ный микроамперметр стенда образуют индикатор резонанса, позволяю­щий настраивать контур в резонанс без применения внешних приборов.

При наблюдении процессов на входе нелинейного элемента приборы должны подключаться к затвору (гнездо КТ1), на выходе - к стоку (гнез­до КТ2).

Домашнее задание

1. Изучите по литературе материал по автоколебательным системам

2. Аппроксимируйте сток - затворную характеристику, соответст­вующую Вашему стенду, кусочно-линейной и кусочно-параболической функциями. Выберите на них напряжения смещения, соответствующие: а) середине линейного участка; б) углу отсечки Q =90º.

Лабораторное задание

Исследуйте работу резонансного усилителя в линейном и нелиней­ном режимах.

Методические указания

Принципиальная схема макета изображена на рис. 2.1. Переключа­тель «НАГРУЗКА» — в положении «LC», переключатель «R_ш» должен быть выключен (кнопка отжата).

Настройка в резонанс осуществляется путем изменения частоты встроенного генератора в диапазоне 12-16 кГц при U_вх 0,5 В. Достиже­ние резонанса фиксируется по максимальному напряжению в цепи стока (гнездо КТ2) либо по максимальному показанию микроамперметра стен­да, постоянно включенному в цепь индикатора резонанса. Значение резо­нансной частоты f₀ вносится в табл. 2.2.

1. Линейный режим усиления.

1.1. Положение рабочей точки выбирается на середине линейного участка сток- затворной характеристики, аппроксимированной отрезками прямых линий. Найденное значение напряжения смещения E_см устанав­ливается потенциометром «СМЕЩЕНИЕ» и вносится в табл. 2.2.

 

 

Таблица 2.2

Амплитудная характеристика для линейного режима

 

ЕCM=... В; fо ^=... кГц
Uвх,В
Uвых, В

 

1.2. Амплитудная характеристика усилителя U_вых = (U_BX) снимает­ся при изменении напряжения входного сигнала в пределах от 0 до 2 В; начальный участок рассматривается подробно через 0,05 В. Результаты заносятся в табл. 2.2. Строится график ₁.

1.3. Временные диаграммы входного напряжения U_вх(t) напряжения на выходе U_вых(t) при двух значениях добротности колебательного кон­тура (R_ш выключено, включено) и тока стока i_c(t) (переключатель на­грузки в положении «R») наблюдаются и зарисовываются при действии на входе (гнездо КТ1) напряжения U_вх =U_вх.max, где U_вх.max - наиболь­шее напряжение, при котором амплитудная характеристика еще может считаться линейной (определить по графику ₁).

2. Нелинейный режим усиления.

2.3. Положение рабочей точки выбирается так, чтобы угол отсечки был равен 90º. Для этого устанавливается Е_см = U₀(напряжение отсечки на графике кусочно-линейной аппроксимации сток - затворной характе­ристики). Найденное значение Е_см устанавливается потенциометром «СМЕЩЕНИЕ» и вносится в табл. 2.3, подобную табл. 2.2.

2.2. Амплитудная характеристика усилителя U_вых = ₂(U_вх) в нели­нейном режиме снимается при изменении напряжения на входе (гнездо КТ1) в пределах 0-4 В. Перед снятием каждого отсчета выходного сигна­ла (гнездо КТ2) необходимо подстраивать частоту генератора в резонанс (по максимуму U_вых). Результаты измерений заносятся в табл. 2.3. По­строить график зависимости ₂ и определить на нем границу линейного участка амплитудной характеристики U_{вх max}.

2.3. Временные диаграммы наблюдаются и зарисовываются при U_вх =U _{вх max}- Необходимо зафиксировать с сохранением масштаба по осям времени:

• осциллограмму входного сигнала U_вх(t) (гнездо КТ1);

• осциллограмму тока стока I_c(t) - для этого нажать кнопку «R» вы­бора нагрузки (гнездо КТ2);

•две осциллограммы выходного напряжения U_вых(t)при включенном колебательном контуре (нагрузка LC) для двух вариантов добротности контура (кнопка «R_ш» нажата и отжата) - гнездо КТ2.

Отчет

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему исследованных устройств;

2) исходную и аппроксимированную сток- затворную характеристи­ки полевого транзистора для соответствующего варианта;

3) таблицы исходных, расчетных и экспериментальных данных;

4) графики амплитудных характеристик ₁ и ₂, а также осцилло­граммы исследованных процессов.

Контрольные вопросы

1. Какова роль полевого транзистора в схеме линейного усилителя?

2. Почему в качестве нагрузки в линейном усилителе применяются резистор, колебательный контур?

З.Как выбрать рабочую точку на характеристике усилительного элемента линейного усилителя?

4. Каковы преимущества нелинейных усилителей?

5. Какова связь между формой напряжения на входе и выходе нели­нейного резонансного усилителя?

6. Какова роль избирательной нагрузки в схемах нелинейных усили­телей?

7. Как выбрать рабочую точку на характеристике усилительного элемента нелинейного усилителя?

8. С какой целью применяются усилители?

9. Как выбрать оптимальный режим работы усилителя?

10. Как получить осциллограмму тока, протекающего через колеба­тельный контур?

11. Что такое коэффициент гармоник?

Лабораторная работа №3

Лабораторная работа №4

Преобразование частоты.

Теория.

 

Преобразователи частоты служат для переноса спектра частот из одной области в другую без изменения характера модуляции. Они являются частью супергетеродинного приёмника. В результате преобразования получается новое значение частоты f_пр, называемой промежуточной. Частота f_пр может быть как выше, так и ниже частоты принимаемого сигнала f_с; в первом случае происходит преобразование частоты вверх, во- втором – вниз. В большинстве случаев используется второй случай, когда f_пр<f_с на величину частоты f гетеродина.

Понижение f_сиг. До уровня f_пр. в приёмнике позволяет значительно повысить чувствительность приёмника и его помехоустойчивость.

Процесс преобразования высокочастотных колебаний в колебания промежуточной частоты осуществляется в преобразовательном каскаде приёмника. В результате работы преобразователя происходит понижение несущей частоты сигнала и его боковых полос, но закон модуляции остаётся неизменным.

Схемы преобразователей частоты бывают различные, но в любой из них имеются гетеродин и смеситель. Гетеродин представляет собой маломощный генератор вспомогательных синусоидальных колебаний высокой частоты, перестраиваемый одновременно с изменением настройки высокочастотных каскадов приёмника. Смеситель является устройством, в котором происходит смешивание колебаний гетеродина с колебаниями принимаемого сигнала и преобразование их при помощи нелинейного элемента.

Характерной особенностью всех преобразовательных каскадов является наличие трёх резонансных контуров. Первый резонансный контур, настраиваемый на частоту принимаемого сигнала f_с (сигнальный контур) включается на входе преобразователя. Второй резонансный контур-контур гетеродина, настраиваемый на частоту генерируемых колебаний:

… (1)

при верхней настройке гетеродина, когда f_г>f_с и:

… (2)

при нижней настройке гетеродина f_г<f_сигн.

Третий контур (или ФСС), настраиваемый на частоту f_пр, является нагрузочным элементом каскада преобразователя частоты.

Для преобразования частоты в приёмниках используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами. Структурная схема преобразователя частоты, показанная на рис.4.1, содержит преобразовательный элемент ПЭ, гетеродин Г и фильтр Ф.

 

 

Рис.4.1 Структурная схема преобразователя частоты

 

Режим работы ПЭ периодически во времени меняется под действием напряжения гетеродина с частотой гетеродина f_г. В результате меняется крутизна ВАХ преобразовательного элемента для напряжения сигнала. Положим, что КПЭ со строго квадратичной ВАХ i₂=f(U) приложены напряжение гетеродина U_r и некоторое напряжение смещения Е_см; при этом U=U_r+Е_см. Под воздействием напряжения гетеродина рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и, как следует из рис.2, крутизна S в рабочей точке также будет меняться от S^’ до S^”.

 

 

Так как , то при квадратичной ВАХ зависимость крутизны S от напряжения U линейна. Следовательно, при косинусоидальном напряжении U_г крутизна S изменяется также по косинусоидальному закону и содержит постоянную составляющую и первую гармонику. Тогда, , где S₀- постоянная составляющая крутизны ПЭ; S₁-амплитуда первой гармоники крутизны ПЭ.

Ток на выходе ПЭ . пусть на входе ПЭ действует сигнал , где U_сигн, _сигн - функции времени. Подставив в выражение для тока i₂ значение S(t) и U_сигн, получим . Используя правило перемножения Косинусов, запишем

(3)

Согласно (3) ток на выходе ПЭ содержит составляющие трёх частот: частоты f_сигн, суммарной частоты f_r+f_сигн и разностной частоты f_r-f_сигн. Из составляющих выходного тока используют чаще всего составляющую разностной частоты:

… (4)

Фильтр на выходе преобразователя частоты выделяет только эту составляющую выходного тока. Согласно (4) амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна U_сигн, следовательно при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала сохраняется (при амплитудной модуляции). Фаза тока i_2разн также соответствует фазе исходного сигнала _с, т.е. при преобразовании частоты фазовая модуляция сохраняется. Амплитуда тока i_2разн зависит от изменения крутизны S₁. При U_r=0, как следует из рис.2, S₁=0;i_2разн=0 (преобразование по частоте не происходит). Чем больше U_r, тем больше S₁, а, следовательно, больше амплитуда тока i_2разн и амплитуда напряжения на выходе преобразователя.

В зависимости от вида ПЭ преобразователи частоты подразделяют на диодные, транзисторные и интегральны