Исследование LC- генератора.

 

Теория.

Генерирование автоколебаний.

Основные определения.

 

Автоколебательными системами называются устройства, которые, не получая внешнего возбуждении, преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию колебаний. В системах электросвязи такие устройства называются генераторами с самовозбуждением (автогенераторами), а полученные в них колебания – автоколебаниями.

Автогенераторы разделяются на генераторы гармонических колебаний и генераторы релаксационных (несинусоидальных) колебаний.

Автогенератор состоит из нелинейного элемента (усилителя и цепи положительной обратной связи). Усилитель, используя энергию источника питания, сообщает автоколебаниям необходимую мощность. Цепь обратной связи обеспечивает автоматическое подвозбуждение усилителя.

В схеме автогенератора гармонических колебаний (рис.3.1), усилитель включает в себя источник постоянного напряжения Е_пит. (1), нелинейный усилительный элемент (2) и избирательную систему в виде параллельного контура RLC (3), который является нагрузкой усилительного элемента. Схема обратной связи (4) состоит из индуктивно связанных катушек L и L_св.

 

 

Рис. 3.1 Автогенератор гармонических колебаний.

 

В момент включения источника питания появляется коллекторный ток, который вызывает колебания в контуре. Если бы обратной связи не было, то эти колебания оказались бы свободными и вскоре прекратились бы вследствие потерь энергии на резисторе R.

При наличии обратной связи контурный ток индуктирует в катушке L_св напряжение, которое подаётся транзистора и изменяет ток коллектора. Амплитуда и фаза индуцированного напряжения должны быть такими, чтобы мощность, вводимая в контур, была больше мощности потерь. Тогда амплитуда контурного тока, а с ней и амплитуда напряжения возбуждение возрастёт, мощность, приобретённая контуром, увеличивается, т.е. появляются незатухающие колебания. Поступающая в контур энергия становится равной расходуемой в контуре энергии, наступает стационарный режим и амплитуда колебаний стабилизируется.

Условимся называть прямым такой процесс, в результате которого напряжение возбуждения с амплитудой U_БЭ вызывает в коллекторной цепи ток с амплитудой первой гармоники , а обратным процессом – такой, в результате которого выходное напряжение , действуя на цепь обратной связи, сообщает базе транзистора напряжение возбуждения с амплитудой . Прямой процесс оценивается коэффициентом усиления собственно усилителя

, … (1)

а обратный процесс- коэффициентом передачи напряжения цепи обратной связи

, … (2)

Рассматривая генератор как усилитель с обратной связью, на вход которого подаётся внешнее напряжение с амплитудой- , определяем коэффициент усиления , по формуле:

, … (3)

В стационарном режиме . Тогда:

, … (4)

показатель обратной связи 1- , а коэффициент усиления равен бесконечности.

Полученный результат означает, что если напряжение обратной связи равно напряжению возбуждения , то внешнего возбуждения не требуется (), так как даже в этих условиях коэффициент линейного усиления →∞.

Равенство требует равенства их модулей, которое называется балансом амплитуд, и равенства их аргументов, которое называется балансом фаз; кроме того, необходимо соблюдение условия устойчивости, означающего постоянство амплитуды автоколебаний.

Цель работы.

 

Исследование схемы транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью.

Экспериментальная проверка основных положений теории самовозбуждения, стационарного и переходного режимов.

Краткая характеристика исследуемой цепи.

В данной работе используется левая часть сменного блока АВТО­ГЕНЕРАТОРЫ. Генератор LC (рис. 3.2) собран на полевом транзисторе с колебательным контуром в цепи стока и трансформаторной обратной связью.Частота генерации постоянна и находится в пределах 18-24 кГц. Тумблер в цепи обратнойсвязи(ОС) позволяет изменятьзнак ОС, либо вообще отключать ее.

Рис. 3.2 Схема LC генератора.

 

Регулятор взаимнойиндуктивности (М) позволяет плавно менятьабсолютную величину обратной связи. Переключатель вида смещения позволяет выбрать либо регулируемое, либо автоматическое смещение на затворе полевого транзистора. Регулировка смещения производится движковым потенциометром «Е_см» в правой части стенда и контролиру­ется вольтметром, расположенным над потенциометром «Е_см». Выше вольтметра смещения находится миллиамперметр, который в данной работе измеряет ток стока транзистора при снятии его вольт- амперной характеристики.

Тумблер ПРЕРЫВАТЕЛЬ включает электронный коммутатор (на схеме не показан), который периодически разрывает цепь обратной связи для изучения переходных процессов в автогенераторах.

Гнезда КТ1 в данной работе не используются, гнезда КТ2 соединены с затвором, а КТЗ - со стоком полевого транзистора. Дифференцирующая цепь, включенная между гнездами КТЗ и КТ4, используется для получе­ния так называемых фазовых портретов на экране осциллографа при изу­чении переходных процессов.

В качестве измерительных приборов используются внутренние вольтметр переменного напряжения и диапазонный генератор гармони­ческих колебаний, внутренние приборы постоянного тока, осциллограф и ПК, работающий в режиме анализа спектра (для измерения частоты гене­ратора).

Домашнее задание

 

1. Изучите преобразование частоты по рекомендованной литературе

2. Сделать заготовку отчета.

Лабораторное задание

1. Исследуйте «мягкий» и «жесткий» режимы самовозбуждения генератора.

2. Получите амплитудные характеристики стационарного режима при разных смещениях.

З. Получите колебательные характеристики резонансного усилителя без обратной связи.

4. Наблюдайте колебания в стационарном и переходных режимах.

 

Методические указания

 

1. Исследование режимов самовозбуждения генератора.

1.1. Снятие вольт- амперной характеристики (ВАХ) полевого транзи­стора производится с помощью внутренних источников и измерительных приборов.

Убедиться в том, что:

- все внешние провода отключены от генератора;

- обратная связь отключена (тумблер ОС в среднем положении);

- прерыватель отключен;

- тумблер вида смещения - в положении РЕГ (регулируемое). Подготовить таблицу ВАХ (табл. 3.1).

 

Таблица 3.1

 

 

Последовательно устанавливая значения Е_см из таблицы ручкой «Е_см», измерить и внести в таблицу значения тока стока.

Построить график ВАХ I_с= ₁(U_зн).

1.2. Включить тумблером положительную обратную связь. Ручку «М» регулировки величины обратной связи установить в крайнее левое положение (М=0). Подключить к выходу генератора (гнездо КТЗ) ос­циллограф и вольтметр переменного напряжения.

По графику ВАХ определить соответствующее середине линей­ного участка ВАХ. Установить это значение регулятором смещения стенда.

1.3. Плавно увеличивая взаимную индуктивность ручкой «М», до­биться появления генерации (по вольтметру или осциллографу). Умень­шить М, добиваясь минимальных устойчивых колебаний (не более 0,5 В). Затем с помощью регулятора Е_см найти такое смещение, при котором выходное напряжение генератора станет максимальным. Далее регулято­ром «М» добиться прекращения колебаний. Таким образом, определено смещение «мягкого» режима Е_см и критическое значение величины обратной связи М_кр1, которые следует внести в табл. 3.2.

Таблица 3.2

 

Устанавливая ряд значений М, измерять U_ст и результаты вносить в таблицу, причем обе строки U_ст снимать при одних и тех же значениях М. По данным таблицы построить график U_ст = (М).

1.4. Убедившись в наличии генерации, определить частоту генери­руемых колебаний по осциллографу (измерить период с учетом цены де­ления переключателя развертки) или по шкале анализатора спектра.

1.5. Работа генератора в «жестком» режиме. Выберите предвари­тельное положение рабочей точки на нижнем изгибе ВАХ и установите соответствующее смещение. Регулируя «М», убедитесь, что при некото­ром М= М_кр1 колебания возникают скачкообразно, а при некотором М= М_кр2 - срыв колебаний. (М_кр2 < М_кр1). Если колебания вообще не возникают, необходимо немного уменьшить абсолютное значение сме­щения /Е_см/, а если М_кр1 и М_кр2 различаются незначительно - соответст­венно увеличить /Е_см/. Путем нескольких таких проб найти Е_cм2 «жестко­гo» режима, при котором М_кр1 и М_кр2 существенно различаются; внести это значение в табл. 3.3, подобную табл. 3.2 (с добавлением значения М_кр2). После окончательного выбора E_см2 до полного заполнения табл. 3.3 трогать ручку «Е_см» не рекомендуется. После заполнения таблицы строятся графики U_ст= (М) для «жесткого» режима.

 

Таблица 3.3

 

1.6. По указанию преподавателя повторить п.1.3 для автоматическо­го смещения; при этом переключатель вида смещения установить в по­ложение АВТ.

2. Колебательные характеристики.

2.1. Отключить обратную связь. Соединить вход резонансного уси­лительного каскада без обратной связи (гнездо КТ2) с диапазонным гене­ратором стенда (в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ). К выходу (гнезда КТЗ) подключить осциллограф и вольтметр переменного напряжения. Установить частоту генератора около 20 кГц, выходное напряжение ~0,1В.

2.2. Определить частоту резонанса LC контура путем плавной пере­стройки частоты генератора в пределах 18-24 кГц. Достижение резонанса фиксируется по максимуму выходного напряжения (гнезда КТЗ). Значение f_рез ввести в табл.3.4.

2.3. Установив смещение «мягкого» режима E_см1 (а затем и Е_см2 для «жесткого»), снять зависимость U_вых= (U_вх) на резонансной частоте. В качестве минимального значения принять U_{вх min} = 0,1 В. Результаты измерений дать в виде первых двух строк табл. 3.4.

 

Таблица 3.4.

Колебательная характеристика генератора.

«Мягкий режим»; Есм=Есм1=…В; f рез=…кГц; Rэо=…кОм
Uвх	В	0,1
Uвых	В
I1	мА
Sср	мА/В

 

Напомним, что средняя крутизна - это отношение действующих значений первой гармоники тока стока и входного напряжения:

,

Находим:

,

где, R_э0- резонансное сопротивление контура; его можно найти через модуль коэффициента усиления, определенный для линейного режима усиления (когда U_вх=U_вхmin=0,1B).

Тогда коэффициент усиления:

,

Определив крутизну S_рт в мА/В, пользуясь графиком ВАХ для Е_см1 «мягкий режим», получаем R_э0 (в кОм):

.

Используя полученные формулы, заполнить последние две строки табл. 3.4.

2.4. Повторить п.2.3 для «жесткого» режима (Е_см2), сохраняя най­денное значение R_э0.

2.5. По указанию преподавателя повторить исследования для авто­матического смещения.

3. Переходной режим.

3.1. Восстановить схему генератора, отключив приборы от гнезда КТ2, включить положительную обратную связь. Включить ПРЕРЫВА­TEЛЬ. Осциллограф подключается к выходу (гнезда КТЗ). Наблюдать осциллограмму переходного процесса в одном из режимов (по указанию преподавателя), отрегулировав значение «М» так, чтобы четко просмат­ривался процесс нарастания и спада колебаний.

3.2. Для получения «фазового портрета» соединить гнездо КТЗ со входом Х, а гнездо КТ4 со входом У осциллографа. Развертка отключает­ся. Подобрать масштабы изображения по вертикали и горизонтали так, чтобы оно размещалось в пределах экрана осциллографа.

Отчет

 

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему LC генератора;

2) вольт- амперную характеристику транзистора;

3) амплитудные характеристики;

4) колебательные характеристики;

5) графики средней крутизны;

6) осциллограммы переходных процессов.

 

Контрольные вопросы

 

1. Изобразите обобщенную схему автогенератора.

2. Сформулируйте критерии устойчивости.

3. Что такое баланс фаз и баланс амплитуд на примере изучаемой цепи?

4. Какие колебания дают начало процессу самовозбуждения?

5. Какова роль усилительного элемента в схеме автогенератора?

6. Какова роль обратной связи?

7. Какова роль нелинейного элемента?

8. От чего зависит частота генерации?

9. От чего зависит форма колебаний?

10. В чем суть квазилинейного метода?

11. Как получить зависимость S_cp от амплитуды?

12. Перечислите особенности «мягкого» режима.

13. Перечислите особенности «жесткого» режима.

14. Поясните принцип действия автоматического смещения.

15. Что такое колебательная характеристика?

16. Изобразите схему трехточечного автогенератора.

 

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 интегральные. В зависимости от числа ПЭ различают следующие виды преобразователей частоты: простые (один ПЭ), балансные (два ПЭ), кольцевые (четыре ПЭ). Если f_пр=f_с-f_г, то положение боковых полос частот относительно несущей частоты после преобразования частоты не меняется (неинвертирующий преобразователь частоты). Если f_пр=f_с-f_г , то боковые полосы частот после преобразования меняются местами, нижняя становится верхней и наоборот (инвертирующий преобразователь частоты).

Анализируя работу преобразователя частоты можно сделать следующие выводы:

1. При преобразовании частоты закон модуляции входного напряжения не нарушается, а изменяется только несущая частота.

2. Для преобразования частоты используют линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.

3. Под действием напряжения гетеродина периодически во времени меняется режим работы ПЭ, в результате чего меняется с частотой f_г крутизна ПЭ. При этом ток на выходе ПЭ содержит помимо составляющей с частотой сигнала ряд комбинационных составляющих, одна из которых с частотой f_пр, выделяемая фильтром, создаёт напряжение на выходе преобразователя частоты.

Цель работы

Исследование процесса преобразования частоты при использовании нелинейного элемента с квадратичным участком вольт- амперной харак­теристики.

Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ, схема кото­рого приведена на рис. 4.1. Исследуемая цепь представляет собой преоб­разователь на полевом транзисторе с избирательной нагрузкой (LC кон­тур) в цепи стока. На затвор полевого транзистора подается сумма на­пряжений сигнала, гетеродина и постоянного напряжения смещения.

Для преобразования частоты используется квадратичный участок сток- затворной характеристики полевого транзистора.

Источником входного сигнала в данной работе служит внутренний генератор амплитудно-модулированных (AM) колебаний, расположен­ный на левом блоке стенда ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ. В этом генерато­ре несущая частота (≈110 кГц) и частота модуляции (1 кГц) фиксирова­ны, напряжение несущей должно быть ≈300 мВ, а глубина модуляции может изменяться в широких пределах ручкой «m». Напряжение AM ко­лебания («сигнал») с выхода внутреннего генератора должно быть пода­но на входные гнезда 1 исследуемой цепи.

Встроенный диапазонный генератор, играющий роль гетеродина, подключается к гнездам 2. Частота его колебаний выбирается в соответ­ствии с результатами предварительного расчета равной f_Г, напряже­ние- 1 В.

В качестве измерительных приборов используются вольтметр и ос­циллограф. Входной сигнал наблюдается на гнездах 1, напряжение гете­родина - на гнездах 2. Для наблюдения процессов на затворе осцилло­граф должен быть подключен к гнездам КТ1; гнезда КТ2 служат для на­блюдения и измерения выходного сигнала.

 

Домашнее задание

1. Изучите по рекомендованной литературе материал по умножению частоты.

2. Пользуясь сток- затворной характеристикой полевого транзистора, выберите напряжение смещения E_см на середине квадратичного участка. С помощью указаний, данных в п.2, рассчитайте ориентировочные зна­чения частот гетеродина f_Г1 и f_Г2.

3. Внесите в заготовку отчета результаты расчетов.

Лабораторное задание

1. Наблюдайте преобразование частоты амплитудно-модулированного сигнала.

2. Получите характеристику преобразования.

Методические указания

1. Принципиальная схема исследуемой цепи должна соответствовать рис. 4.1. Переключатель «R v LC» устанавливается в положение «LC». При выполнении работы используется контур с пониженной добротно­стью (R_ш включено). Переключатели «С_н», не используемые в данной ра­боте, должны быть установлены в нулевое положение (все кнопки отжа­ты).

2. Подготовительный расчет проводится по формулам:

f_пр=f₀ f_Г1=f_H-f_пр f_Г2= f_H+f_пр

где:

f_пр — преобразованная (промежуточная) частота;

f₀ - резонансная частота контура (13-15 кГц);

f_H =110 кГц - несущая частота сигнала;

f_Г — частота гетеродина. Полученные величины вносятся в приведенную ниже табл. 4.1.

3. Положение рабочей точки выбирается на середине квадратического участка ВАХ транзистора. Найденное значение Е_см вносится в табл. 4.1 и устанавливается потенциометром «СМЕЩЕНИЕ».

4. Режим преобразования частоты обеспечивается настройкой одно­го из генераторов («гетеродина») так, чтобы комбинационная разностная частота

/ f_Г — f_Н / = f_nр (промежуточная частота) совпала с резонансной частотой (f о) контура в цепи стока. Перед настройкой на входе 1 необходимо установить U_Г=1 В от генератора («гетеродина») с частотой f_Г1. На вход 2 подается напряжение «сигнала». «Сигналом» в данной работе яв­ляется напряжение с выхода амплитудного модулятора (гнездо «AM» в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ). Напряжение «сигнала» контролиру­ется встроенным вольтметром переменного напряжения. Для правильной установки AM сигнала необходимо:

• убрать модуляцию (m=0), для этого ручку «m», расположенную ниже гнезда «AM», повернуть влево до упора;

• ручкой «Peг. выхода», расположенной там же, установить дейст­вующее значение напряжения несущей U_n=0,5 В;

• ручкой «m» установить глубину модуляции 30—60%, наблюдая осциллограмму на входе 2. Такой порядок установки параметров AM сигнала связан с тем, что вольтметры переменного напряжения не рас­считаны на сигналы с меняющейся амплитудой.

Варьируется частота f_Г1 до получения на выходе (КТ2) AM колеба­ний с наибольшей амплитудой. Контроль ведется по осциллографу и микроамперметру стенда. Подстраивая в небольших пределах Е_см, до­биться еще большего выходного сигнала.

5. Временные диаграммы входного сигнала и преобразованного ко­лебания зарисовывается на одном листе с сохранением соответствия по времени; при этом достаточно одного периода огибающей. Обратите внимание на частоту заполнения. Также зарисовывается выходное на­пряжение при отключенном гетеродине.

6. Перестроив частоту диапазонного генератора на f_Г2, повторить п.5 при этой частоте гетеродина.

7. Характеристика преобразования U_np= (U_H) снимается после на­стройки при любой из двух частот гетеродина f_Г1 или f_Г2. Для этого на­пряжение «несущей» U_H берется от гнезда «AM» в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ, при этом регулятор «m» устанавливается в крайнее левое положение (модуляция отсутствует). Задавая напряжения «несущей» руч­кой «РЕГ. ВЫХОДА» в пределах от 0 до 1 В на входе сумматора (и, не меняя напряжение «гетеродина»), заполнить табл. 4.1, на основании ко­торой строится график U_np= (U_H).

 

Таблица 4.1

Характеристика преобразования частоты

 

Fпр=...кГц; FH=...кГц; fГ=… кГц; Есм=…В; UГ=1В
UH, В
Uпр,В

 

Отчет

Отчет должен содержать:

1) принципиальную схему преобразователя частоты;

2) исходную и аппроксимированную стокзатворную характеристи­ку полевого транзистора для соответствующего варианта;

3) таблицу исходных и экспериментальных данных; осциллограм­мы;

4) график амплитудной характеристики преобразователя, осцилло­граммы.

Контрольные вопросы

 

1. Какова роль полевого транзистора в схеме преобразователя часто-

ты.

2. Какая форма ВАХ нелинейного элемента наиболее удобна для преобразования частоты

3. Какова роль избирательной нагрузки в схеме преобразования час­тоты?

4. Какие требования предъявляются к нагрузке нелинейного элемен­та преобразователя частоты?

5. Изобразить схемы преобразователей частоты.

6. В каких устройствах и почему применяется преобразователь, транспонирующий (преобразующий) спектр сигнала?

7. Отличаются ли огибающие транспонированного и входного сиг­налов по форме?

8. Что такое характеристика преобразования преобразователя часто­ты? Как снять ее экспериментально?

9. Какую роль играют напряжение и частота гетеродина в процессе преобразования частоты?

10. Чем отличаются формы и спектры сигналов на входе и выходе преобразователя частоты?

11. Объясните происхождение «зеркальной» помехи при работе пре­образователя частоты.

 

Лабораторная работа №5

Умножение частоты.

Теория.

В каналах связи для передачи сигналов применяются линейные и нелинейные усилители. Достоинством линейных усилителей является минимальное искажение сигналов, а основным недостатком- низкая экономичность. С высоким КПД работают усилители, в которых усилительный элемент (лампа, транзистор) работает в нелинейном режиме. Среди нелинейных усилителей наибольшее распространение получили резонансные усилители. В таких усилителях нагрузкой является колебательный контур.

Анализ работы нелинейной схемы усиления затрудняется сложностью функции, выражающей используемую характеристику усилительного элемента. Задача решается путём аппроксимации реальных характеристик приближенными (идеализированными) выражениями, которые описываются более простыми функциями. Целесообразно применять кусочно-линейную аппроксимацию, т.е. заменить реальную характеристику a, b, c, d ломаной, состоящей из двух отрезков прямых линий af, fd (рис 5.1)

 

 

Рис. 5.1 Аппроксимация входной характеристики биполярного транзистора

 

В результате из рассмотрения выпадает нижний криволинейный изгиб bc характеристики, и коллекторный ток i_k принимает форму отсечённой синусоиды.

Полученные импульсы полностью определяются двумя величинами- максимумом коллекторного тока I_km транзистора и углом отсечки Q. Это фазовый угол, соответствующий половине той части периода, в течение которой в цепи коллектора протекает ток. Угол отсечки Q измеряется в градусах и лежит в пределах от 0 до π.

При косинусоидальном входном сигнале i_k как чётная функция времени содержит постоянную составляющую I_k0 и косинусоидальные составляющие первой, второй, третьей и т.д. гармоник с амплитудами I_k1m, I_k2m, I_k3m,...

… (1)

Если при данном угле отсечки увеличить максимум выходного импульса I_kmax, то пропорционально увеличится амплитуда каждой составляющей импульса, т.е. соблюдается прямая пропорциональность:

… (2)

Коэффициенты пропорциональности , которые показывают, какую часть от максимума импульса составляет амплитуда данной гармоники, зависят исключительно от угла отсечки Q. Рассмотренные коэффициенты пропорциональности введены в теорию расчёта нелинейных усилителей и умножителей частоты российским учёным А.И.Бергом.

В резонансном усилителе, работающем в нелинейном режиме, из множества гармоник коллекторного тока, обычно, полезной является первая (основная). На частоту первой гармоники и настраивается колебательный контур.

Можно, однако, возникающие в системе колебания высших гармоник использовать для преобразования частоты подводимого сигнала в k-раз большую частоту , где k- целое число >1. Для этого, во- первых, в составе тока должны быть достаточно ярко выражена k-ая гармоника и, во- вторых, выходной колебательный контур должен быть настроен на частоту этой гармоники. Тогда для всех частот, кроме частоты , параллельный контур будет представлять малое сопротивление. Практически напряжение на контуре будет содержать колебания одной частоты .

Для качественного выделения необходимой гармоники следует правильно выделять угол отсечки Q. Из графика зависимости коэффициентов Берга от угла отсечки Q видно, что при Q=0 все коэффициенты равны нулю. Это понятно: когда нет коллекторного тока, нет и его составляющих. С увеличением угла Q от 0⁰ до 90⁰ коэффициент растёт до 0.319; - до 0.5; сначала растёт (до 0.28 при Q=60⁰),затем падает до 0.21; достигает максимальной величины, равной 0.19 при Q=40⁰, и уменьшается до нуля. Следует иметь ввиду, что угол отсечки Q подбирается величиной напряжения. Если во входной цепи усилительного элемента.

Получение большего значения коэффициента умножения K требует работы с очень малыми углами отсечки. При малых величинах угла отсечки Q даже наибольшие значения малы и поэтому при данном максимальном значении тока коллектора транзистора I_{k max} интенсивность соответствующей гармоники I_{k kmax} очень мала.

При работе очень кратковременными выходными импульсами (Q 0), оказывается возможным выделение, практически любой из гармоник почти одинаковой интенсивности, что находит практическое применение в специальной (в том числе измерительной) аппаратуре. Не следует только забывать, что амплитуда каждой из гармонических составляющих очень мала по сравнению с максимальным значением тока. И это не зависит от того, что используется в качестве усилительного элемента- электронная лампа или транзистор. Так, например, при Q=1⁰ коэффициент .

Цель работы

Изучение процесса умножения частоты. Получение оптимального режима.

Схема работы и измерительная аппаратура

Рассмотрена в лабораторной работе 2.

Домашнее задание

1. Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе материал по амплитудной модуляции.

Рис.5.1 Выбор параметров входного сигнала для заполнения таблицы 5.1

 

2. Аппроксимируйте сток- затворную характеристику, соответст­вующую Вашему стенду, кусочно-линейной и кусочно-параболической функциями.

3. Рассчитайте амплитудную характеристику умножителя частоты одним из двух способов по указанию преподавателя:

3.1. При постоянном значении максимального значения импульса тока (I_max⁼const) используйте метод угла отсечки, основанный на коэф­фициентах для кусочно-линейной аппроксимации. В качестве ру­ководства к расчету используйте п. 3.1 методических указаний к данной работе и рис. 5.1. В табл. 5.1 вместо U_вых добавьте еще три строки: COS , и .

3.2. При постоянном значении амплитуды входного сигнала (U_{м вх}—const) использовать метод угла отсечки, основанный на коэффи­циентах — для кусочно-параболической аппроксимации. Значение U=1В, а Е_смизменять в пределах 1—6 В. Значение п (номер гармоники) выбирать от 2 до 4.

4. Приготовьте заготовку отчета и внесите в нее результаты выпол­ненных расчетов.

Лабораторное задание

Исследуйте работу умножителя частоты при постоянной величине амплитуды импульса то