Схемотехника. Часть 1: Лабораторный практикум

Камчатский государственный технический университет

Кафедра радиооборудования судов

А.А. Дуров, А.И. Парфенкин, А.В. Безумов

СХЕМОТЕХНИКА Часть 1 Лабораторный практикум для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

Петропавловск-Камчатский 2004

УДК 621.396.6 ББК 32.844 Д 84

Рецензент: В.Н. Рябышкин кандидат технических наук, доцент Государственной морской академии им. адм. С.О. Макарова

Дуров А.А., Парфенкин А.И., Безумов А.В. Д84

Схемотехника. Ч. 1. Лабораторный практикум для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования». – ПетропавловскКамчатский: КамчатГТУ, 2004. – 99 с. Методическое пособие составлено в соответствии с требованиями к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки специалиста по специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. Рекомендовано к изданию решением учебно-методического совета КамчатГТУ (протокол № 8 от 23 апреля 2004 г.).

УДК 621.396.6 ББК 32.844

© КамчатГТУ, 2004 © Авторы, 2004 2

Содержание Стр. Правила выполнения лабораторных работ по дисциплине «Схемотехника» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Общие требования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Подготовка к работе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Составление отчета и защита результатов работы Лабораторная работа № 1. Ознакомление с лабораторным оборудованием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторная работа № 2. Исследование транзисторных RС-усилителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторная работа № 3. Исследование многотранзисторных усилителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторная работа № 4. Исследование операционного усилителя ………………………………………….. Лабораторная работа № 5. Исследование логарифмического усилителя………………………………………. Лабораторная работа № 6. Исследование оптоэлектронных элементов сопряжения радиоаппаратуры…. Лабораторная работа № 7. Исследование однофазных и трехфазных выпрямителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторная работа № 8. Исследование фильтров выпрямителей……………... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторная работа № 9. Исследование параметрического стабилизатора напряжения…………………… Лабораторная работа № 10. Исследование компенсационного стабилизатора напряжения …………………… Лабораторная работа № 11. Исследование двухтактного преобразователя напряжения …….………….. ……. Лабораторная работа № 12. Исследование аналогоцифровых преобразователей ………………………………. Литература

4 4 7 7 10 27 36 44 49 56 65 73 79 87 92 96 101

3

ПРАВИЛА выполнения лабораторных работ по дисциплине «СХЕМОТЕХНИКА» 1. Общие требования К выполнению лабораторных работ в лаборатории «Схемотехники» кафедры радиооборудования судов допускаются курсанты после ознакомления с правилами техники безопасности при работе с оборудованием, установленным в лаборатории, о чем в журнале по технике безопасности делается соответствующая запись. Работы выполняются в часы, предусмотренные расписанием занятий или самоподготовки по дисциплине «Схемотехника». В остальных случаях необходимо согласовать время отработки пропущенных лабораторных занятий с преподавателем или учебным мастером этой лаборатории. ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ при выполнении работ в лаборатории «Схемотехники» К работе в лаборатории допускаются курсанты, прошедшие инструктаж по технике безопасности на рабочем месте, о чем в журнале делается соответствующая запись. В процессе лабораторных занятий правила техники безопасности необходимо строго соблюдать. Несоблюдение правил может привести к поражению нарушителя или его напарников электрическим током с последствиями, опасными для жизни или здоровья. Чтобы обезопасить себя и своих товарищей от действия электрической энергии, необходимо выполнять следующие правила: 1. Все электрические напряжения свыше 24 В следует считать опасными и поэтому принимать все меры предосторожности. 2. Перед включением приборов необходимо ознакомиться с инструкцией по их эксплуатации. 4

3. Все работы на электроустановках выполнять бригадами в составе не менее двух человек. 4. Осмотр, замену деталей любого прибора или лабораторной установки производить только при ВЫКЛЮЧЕННОМ электропитании. 5. Запрещается самостоятельно снимать защитные корпуса и экраны с приборов и макетов. При необходимости следует обращаться за разрешением к преподавателю или лаборанту. 6. Нельзя оставлять приборы и лабораторные установки включенными без надзора. 7. Работать следует только исправным и предназначенным для этого инструментом. 8. Выключать и включать приборы и установки нужно только штатными выключателями, не рекомендуется отключение приборов выдергиванием вилки из розетки за шнур и включать вилку питания в розетку при включенном тумблере сети прибора. 9. Включение питания лабораторной установки от силового щита выполняется преподавателем или лаборантом. Курсантам это делать категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ. 10. Перед включением лабораторной установки предъявить ее для проверки преподавателю. 11. После выполнения программы лабораторной работы сообщить об этом преподавателю и после получения соответствующего разрешения выключить установку и привести ее в исходное состояние для следующего занятия. Если, несмотря на выполнение основных правил работы с электроустановками, произошел несчастный случай (загорелся прибор или лабораторный макет, ваш товарищ оказался под действием электрического тока и т. д.), необходимо принять экстренные меры по отключению лабораторной установки от электрической сети. Лучше всего это сделать с помощью выключателя на входном силовом электрическом щите. Следует поставить в известность о происшествии преподавателя или лаборанта, и под их руководством приступить к ликвидации последствий несчастного случая. Эффективность спасения пострадавшего от электрического тока зависит от того, насколько быстро он будет освобожден от 5

действия тока, а также от того, насколько быстро и квалифицированно оказана первая помощь. Следует помнить, что для оказания действенной помощи имеется всего 5…7 минут. Оказание помощи пострадавшему необходимо даже в тех случаях, когда у него отсутствует дыхание, сердцебиение, пульс. Решить вопрос о целесообразности или бесполезности мер по оживлению пострадавшего может только врач. До прибытия врача необходимо незамедлительно начать делать искусственное дыхание и так называемый непрямой массаж сердца. Наиболее эффективным видом искусственного дыхания является способ «рот в рот», который проводится поочередно с закрытым массажем сердца, как показано на рисунке.

Голова пострадавшего должна быть запрокинута, чтобы гортань была полностью раскрыта, и вдуваемый воздух беспрепятственно проходил в легкие. Оказывающий помощь должен набрать полные легкие воздуха и выдуть его в рот пострадавшего, предварительно зажав ему нос, чтобы вдыхаемый воздух проник в легкие. После вдувания каждой порции воздуха делают четыре массажных движения на сердце. Непрямой массаж сердца можно прекратить лишь тогда, когда сердце начнет работать самостоятельно. Во время проведения лабораторной работы может начаться землетрясение. При этом нельзя поддаваться панике, нужно спокойно, но быстро встать и отойти к внутренней стене в лаборатории или коридоре. В наиболее безопасных при землетрясении местах сделаны соответствующие надписи на стене. ПОМНИТЕ! Добежать из лаборатории до безопасного места вне здания вы можете не успеть! 6

2. Подготовка к работе Для успешного выполнения лабораторной работы курсанту необходимо: - ознакомиться с «Руководством» к выполнению лабораторной работы; - изучить указанный в «Руководстве» раздел теоретического курса по рекомендованному учебнику или конспекту лекций; - ознакомиться с правилами эксплуатации необходимого для работы лабораторного оборудования; - продумать методику выполнения измерений и исследований, предусмотренных «Рабочим заданием» к лабораторной работе; - подготовить таблицы для записи результатов экспериментов. Для допуска к лабораторной работе курсант обязан пройти предварительный опрос, во время которого он должен показать знание цели работы, методики проведения необходимых экспериментов и иметь представление об ожидаемых результатах. 3. Составление отчета и защита результатов работы Каждый курсант составляет индивидуальный отчет о выполненной работе. Отчеты можно выполнять в отдельной тетради или на сброшюрованных листах формата А4. Первая страница отчетов оформляется по приведенной форме. При выполнении отчетов на листах титульный лист оформляется для каждого отчета. При оформлении отчета к лабораторной работе указывается ее номер, полное название в соответствии с «Руководством» к работе, цель работы. В отчете должны быть приведены полная принципиальная схема исследуемого устройства и структурные схемы экспериментов, выполненные в соответствии с ГОСТами. Все результаты измерений должны быть сведены в таблицы и представлены в виде графиков, если это предусмотрено заданием. Графики желательно оформлять на масштабной бумаге и вклеи7

вать их в отчет. На координатных осях должны быть обозначены наносимые величины и единицы их измерения. В конце отчета приводятся выводы по проделанной работе и полученным результатам, в которых делается их критическая оценка с позиций теоретических знаний, объясняется причина возможных расхождений теоретически ожидаемых и экспериментальных данных. Отчет завершается подписью курсанта и датой выполнения работы в лаборатории. Работа считается полностью выполненной, если курсант сделал все предусмотренные заданием эксперименты и расчеты, правильно оформил отчет, объяснил полученные результаты и в беседе с преподавателем показал знание соответствующих разделов теоретического курса. Отчеты хранятся у курсанта до завершения изучения дисциплины и по согласованию с преподавателем могут быть использованы курсантом при подготовке ответа на экзамене или зачете. При выполнении лабораторной работы в часы консультаций или другое время, не предусмотренное расписанием, необходимо заверить результаты экспериментов у преподавателя или лаборанта.

8

Пример оформления титульного листа к отчетам

Камчатский государственный технический университет Мореходный факультет Кафедра радиооборудования судов Лаборатория «Схемотехники» Дисциплина: «Схемотехника»

ОТЧЕТЫ к лабораторным работам

Курсант гр. 03Р1 Иванов П. Г.

Преподаватель доцент Петров С. К.

Бригада: Иванов П. Г. Сидоров В. А.

2004/2005 уч. год

9

Лабораторная работа № 1 ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ЛАБОРАТОРНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ Цель работы Ознакомление с лабораторным оборудованием и контрольно-измерительными приборами, установленными на рабочих местах в лаборатории «Схемотехники», приобретение навыков их использования при экспериментальных исследованиях радиоэлектронных устройств. Описание лабораторного оборудования Рабочее место для выполнения лабораторных исследований включает комплект следующих лабораторных установок и контрольно-измерительных приборов: • Лабораторная установка по электронной технике К32; • Лабораторная установка БИС; • Лабораторная установка ЛО-87; • Осциллограф-мультиметр С1-112А; • Цифровой вольтметр В7-38; • Генератор сигналов низкочастотный Г3-120; • Генератор сигналов высокочастотный Г4-18; Лабораторная установка по электронной технике К32 Лабораторная установка К32 предназначена для исследования радиоэлектронных устройств различной сложности. В ее состав входят: • блок питания; • блок цифровой индикации; • блок аналоговых сигналов; • программатор серий импульсов. Органы управления и коммутации сигналов расположены на передней панели, внешний вид которой показан на рис. 1.1.

10

Рис. 1.1. Включение питания установки осуществляется кнопкой «Сеть». Кнопки, расположенные под надписью «Питание», позволяют включить источники питания «+5 В», «±15 В» и «+30 В». Источник «+30 В» работает только при включенном источнике «±15 В». Все эти источники выполнены с защитой от короткого замыкания, в случае срабатывания которой гаснет соответствующий светодиод под надписью «Питание». После снятия перегрузки данный источник должен восстановить свои параметры. В установке предусмотрена блокировка питающих напряжений на разъеме, предназначенном для подключения кассеты с исследуемым макетом электронного устройства. После установки кассеты в разъем необходимо затянуть винты крепления и блокировки. Надписи и обозначения относятся к тому органу управления, у которого они расположены. Обозначение «А» под линией у кнопок означает, что если кнопка не нажата, то выполняется функция «А», обозначение «В» над линией у кнопок означает, что если кнопка нажата, то выполняется функция «В». Надписи на передней панели означают: • ВнК (внешняя команда) – соединение соответствующей цепи с гнездом, расположенным на передней панели; • ВСв (внутренняя связь) – соединение соответствующей цепи с одним из контактов разъема для подключения 11

кассеты с исследуемым макетом электронного устройства. • ГН1 и ГН2 – регулируемые генераторы испытательных сигналов постоянного тока, формируемых в установке (с плавной регулировкой напряжения от –12 В до +12 В); • ГС1 и ГС2 – генераторы испытательных сигналов переменного тока, формируемых в установке из сигнала внешнего генератора; • ФВ – фазовращатель испытательного сигнала переменного тока. Назначение кнопок, элементов регулировки, гнезд и индикаторов поясняется при описании выполнения соответствующих лабораторных работ. Лабораторная установка БИС Лабораторная установка БИС состоит из трех отдельных блоков: • Блок БИСЭР используется как выключатель питания 220 В 50 Гц для всех приборов на рабочем месте; • Блок БП-15 используется при выполнении ряда работ как источник двух независимых регулируемых напряжений постоянного тока 0…+15 В и 0…-15 В; • Блок БП-30 используется при выполнении ряда работ как источник регулируемого напряжения постоянного тока 0…30 В и нерегулируемого напряжения +5 В. Блоки питания БП-15 и БП-30 выполнены с защитой от короткого замыкания, в случае срабатывания которой загорается соответствующий светодиод под надписью «Перегрузка». При этом следует выключить соответствующий блок. После снятия перегрузки данный источник должен восстановить свои параметры через 1…2 минуты (при отключении защиты наблюдается резкое отклонение стрелки соответствующего вольтметра блока и ее возвращение на деление «0»). После чего блок можно снова включить и продолжить программу исследований.

12

Лабораторная установка Л87-01 Служит для проведения лабораторных работ по радиотехнике и электронике и состоит из:. • Генераторного отсека (ГПИ, ГНЧ, ГВЧ). • Отсека контрольно-измерительной аппаратуры. • Блока питания и коммутации. • Монтажного поля и сменных панелей в количестве 32 шт. Генераторный отсек: ГНЧ – генератор низкой частоты. Вырабатывает синусоидальные колебания в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц. Разбит на 4 частотных поддиапазона. Плавное изменение частоты внутри поддиапазона осуществляется ручкой «Частота», расположенной на передней панели ГНЧ. Напряжение ГНЧ - от 0 до 0,5 В эффективного значения. Uэффект = 0,637Um, где Um – амплитудное значение напряжения ГНЧ плавно регулируемое ручкой «Амплитуда» на передней панели ГНЧ и ступенчатое деление подключением к клеммам выхода генератора: Uвых :1: 1,1 :10,1:100 и «общ». ГПИ – генератор прямоугольных импульсов. Вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности из сигнала ГНЧ той же частоты. Плавно частоту внутри поддиапазона изменяют с помощью регулятора «Частота» ГНЧ. Амплитуда изменяется от 0 до 3 В ручкой «Амплитуда», расположенной на передней панели ГПИ. Длительность импульса (tимп) регулируется ручкой «Длительность» на передней панели ГПИ. Для получения импульсной последовательности со скважностью Q ≈ 10 переключатель поддиапазонов по частоте ГПИ и ГНЧ устанавливается в одинаковое положение. Для получения Q > 10 частоту ГПИ устанавливают на более высокий частотный уровень. ГВЧ – генератор высокой частоты, вырабатывает колебания высокой частоты и состоит из двух генераторов: 13

•

Основной генератор - вырабатывает колебания в диапазоне частот: fген(осн) = (415-515) кГц и плавно перестраивается регулятором “Частота” на передней панели ГВЧ. Амплитуда колебаний на выходе основного генератора Uвых.эф. = 0 – 0,3 В и плавно регулируется плавно ручкой “Амплитуда” расположенной на передней панели ГВЧ. Колебания основного генератора могут быть промодулированы по амплитуде выходным сигналом ГНЧ. Глубина модуляции m = (0 – 100)%, регулируется ручкой «Глубина модуляции» на передней панели ГВЧ. • Гетеродин – вырабатывает колебания высокой частоты в диапазоне: f = 880 – 900 кГц. Uвых(гетер) = const ≈ 1В (эффект). Гетеродин жестко сопряжен с основным генератором: fпром = fгетер – fосн.ген. = 465 кГц; при расстройке относительно средней на величину f = ±30 кГц, точность сопряжения ± 3 кГц. Блок питания и коммутации Содержит источники питания (по напряжению и току), необходимые для выполнения лабораторных работ. Источник переменного напряжения ИП – обеспечивает формирование двух напряжений переменного тока, частотой f = 50 Гц. ~U1 = ~15 В, ~U2 = ~15 В + 15% Генератор тока ГТ – является источником постоянного тока с большим внутренним сопротивлением. Максимальный выходной ток ГТ – IГТmax =10 мА при наибольшем допустимом сопротивлении нагрузки Rн = 1 кОм. Выходной ток IвыхГТ – плавно регулируется в пределах от 0 до 10 мА ручками “Грубо”, “Точно” ГТ при закороченных клеммах “+” и ”-“ (при отсутствии нагрузки). ГН1 – источник постоянного напряжения. Выходное напряжение плавно регулируется от +0,5 В до –7 В ручками «Грубо», «Точно» ГН1. Полярность выходного напряжения, указанная на лицевой панели блока питания (БП), соответствует интервалу регулирова14

ния от +0.5 В до 0, а при регулировании от 0 до –7 В его полярность противоположна указанной. ГН2 – источник постоянного напряжения со стабилизированным выходным напряжением, которое плавно регулируется ручками «Грубо», «Точно» ГН2 от 0.5 В до 15 В. Iнагр.(max) = 200 мА. ГН3 – источник постоянного напряжения Uвых – выходное напряжение которого, плавно изменяется в пределах от 0 до 100 В одним регулятором “100 В”. Отсек контрольно-измерительной аппаратуры стенда Ампервольметр АВМ1: имеет пять пределов измерения напряжения от 0 до 25 В, и шесть пределов измерения постоянного тока от 0 до 100 мА. Ампервольтметр АВО: имеет четыре предела измерения напряжения от 0 до 5 В, три предела измерения тока от 0 до 50 мА и четыре предела измерения сопротивления от 0 до 100 кОм. Ампервольметр АВМ2 аналогичен АВМ1. Блок монтажного поля Предназначен для сборки исследуемого устройства после установки соответствующей сменной панели. Сменные панели представляют собой древесноволокнистую плату , размер которой равен размеру платы монтажного поля. На лицевую поверхность сменных панелей нанесены электрические схемы исследуемых устройств.

15

Осциллограф-мультиметр С1-112А Осциллограф-мультиметр С1-112А предназначен для исследования сигналов в режиме осциллографа в амплитудном диапазоне от 5 мВ до 250 В и во временном диапазоне от 0.12 мкс до 0.5 с и для измерения напряжения постоянного тока от 0.1 мВ до 1000 В и активных сопротивлений от 1 Ом до 2.5 МОм с цифровым отсчетом на экране ЭЛТ в режиме мультиметра в лабораторных и цеховых условиях. Число каналов осциллографа — 1. Рабочая часть экрана имеет не менее: по горизонтали 10 делений; по вертикали 6,6 делений. Ширина линии луча - не более 0,8 мм. Параметры входа канала вертикального отклонения (КВО): непосредственный: входное активное сопротивление (1±0.02) МОм; входная емкость (30±4) пФ. с делителем 1:10 : входное активное сопротивление (10±0.5) МОм; входная емкость не более 25 пФ. с делителем 1:1 : входное активное сопротивление (1±0.02) МОм; входная емкость не более 100 пФ. Максимально допустимый входной сигнал при минимальном коэффициенте отклонения при открытом входе не более 30 В. Допустимое суммарное значение постоянного и переменного напряжения при закрытом входе не более 250 В при переменной составляющей не более 30 В. Осциллограф имеет внутреннюю и внешнюю синхронизации развертки. Внутренняя синхронизация осуществляется: гармоническим сигналом в диапазоне частот от 20 Гц до 10 МГц при размере изображения сигнала 1,5…6,6 делений; при размере изображения 0,6 …6,6 делений в диапазоне частот 100 Гц …2 МГц; импульсными сигналами любой полярности, длительностью 16

от 120 нс и более при размере изображения сигнала от 0,6 до 6,6 делений, при этом должно обеспечиваться наблюдение фронта импульса; кадровым синхроимпульсом телевизионного сигнала при размере изображения от 3 до 6,6 делений. Внешняя синхронизация осуществляется: гармоническим сигналом амплитудой от 0,5 до 5 В в диапазоне частот от 20 Гц до 10 МГц; импульсными сигналами любой полярности, длительностью 120 нс и более при амплитуде сигнала от 0,5 до 5 В, Нестабильность синхронизации не превышает 0.02Т+10 нс, где Т — длительность развертки, нс. Осциллограф обеспечивает измерение напряжения постоянного тока обеих полярностей от 1 мВ до 1000 В с пределами измерения 2.5; 25; 250; 2500 В. Осциллограф обеспечивает измерение активных сопротивлений от 1 кОм до 2,5 МОм с пределами измерения 2,5; 25; 250; 2500 кОм. Входное сопротивление осциллографа при измерении напряжения постоянного тока (10±0.5) МОм. Осциллограф обеспечивает четырехразрядную индикацию результатов измерения на экране ЭЛТ, индикацию знака «-» при измерении отрицательного напряжения, индикацию децимальной точки и индикаций знака перегрузки. Порядок работы с прибором Органы управления и настройки прибора : — кнопка СЕТЬ — включение прибора; — переключатель «ОСЦИЛ/V, кОм» — переключение режимов работы прибора «осциллограф», «мультиметр»; — ручка «Θ» — регулирование фокусировки; — ручка «☼ « — регулирование яркости; — гнездо «Y» — подключение исследуемого сигнала; — переключатель «~/=» — установка открытого или закрытого входов КВО. — переключатель «V/ДЕЛ» — установка коэффициентов отклонения; — переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ» — установка коэффициен17

тов развертки; — переключатель «μs/мs» — грубое переключения коэффициента развертки; — «ВНУТР./ВНЕШ.» — переключатель режима синхронизации; — «ТВ/НОРМ» — переключатель режима запуска развертки; — ручка «УРОВЕНЬ» — установка уровня запуска развертки; — переключатель «V/ком» — установка режимов работы мультиметра; — переключатель «х1», «х10», «х102», «х103» — установка диапазона измерений мультиметра; — гнездо «1 kV» — подключение измеряемых напряжений более 2,5 В; — гнездо «2,5 В» — подключение измеряемых напряжений до 2,5 В; — гнездо «кОм» — подключение измеряемых сопротивлений. Проведение измерений в режиме осциллографа 1. Прибор имеет : — открытый вход «=», предназначенный для исследования процессов, содержащих в своем спектре постоянную составляющую или низкие частоты (менее 50 Гц); — закрытый вход «~», предназначенный для исследования процессов, не содержащих в своем спектре низких частот менее 50 Гц, а также для отделения постоянной составляющей. 2. Для исследования формы сигналов кнопки ТВ/НОРМ. установить в ненажатое положение. Синхронизацию развертки производить : — исследуемым сигналом (кнопка ВНУТР/ВНЕШ. — нажата); — внешним синхронизирующим сигналом, подаваемым на гнездо «ЗАПУСК» (кнопка ВНУТР/ВНЕШ. — отжата); Уровень синхронизации развертки добиться ручкой УРОВЕНЬ. Кнопкой установки полярности сигнала осуществить запуск 18

развертки от положительной или отрицательной части сигнала. 3. При исследовании телевизионного сигнала кнопку ТВ/НОРМ. установить в нажатое положение. Синхронизацию развертки производить исследуемым сигналом (кнопка ВНУТР/ВНЕШ.. — нажата). Режим «ТВ» позволяет проводить синхронизацию развертки кадровыми синхроимпульсами телевизионного сигнала. Устойчивости синхронизации развертки добейтесь ручкой УРОВЕНЬ. 4. При измерении прибором временных интервалов производить следующие операции : — установить изображение измеряемого временного интервала ручкой «↔» симметрично в центр экрана; — измерение проводить либо по правым, либо по левым краям линии изображения; — выбрать коэффициент развертки (точность измерений временных интервалов увеличивается при увеличении длины измеряемого интервала по экрану ЭЛТ). Определить измеряемый временной интервал как произведение длины измеряемого интервала на экране по горизонтали (в делениях) на значение выбранного коэффициента развертки. 5. При измерении прибором амплитуды исследуемых сигналов проводить следующие операции : — ручками «↔»и «↕»установить изображение сигнала таким образом, чтобы один из уровней сигнала совпадал с делениями шкалы ЭЛТ; — проводить измерения либо по нижним, либо по верхним краям линии изображения; — выбрать положение переключателя V/ДЕЛ. таким, чтобы размер исследуемого сигнала получался наибольшим в пределах рабочей части экрана. Амплитуду исследуемого сигнала определить как произведение измеренного размера исследуемого сигнала в делениях на значение выбранного коэффициента отклонения. При работе с делителем 1:10 полученный результат умножить на 10.

19

Генератор сигналов высокочастотный Г4-18А Генератор стандартных сигналов типа Г4-18А предназначен для проверки и настройки радиоэлектронной аппаратуры, работающей в диапазоне частот от 0.1 до 35 Мгц. Диапазон частот генератора от 100 кГц до 35 МГц перекрывается шестью поддиапазонами со следующими частотами: 1-й — 0.1…0.3 Мгц; 2-й — 0.3…1 Мгц; 3-й — 1…3 Мгц; 4-й — 3…10 Мгц; 5-й — 10…20 Мгц; 6-й — 20…35 Мгц. Запас по краям диапазона и перекрытие между поддиапазонами — не менее 2%. Погрешность установки частоты не более 1%. Генератор имеет некалиброванный выход от 0.1 В до 1 В с выходным сопротивлением около 100 Ом. Генератор обеспечивает следующие виды работ: — непрерывная генерация, — внутренняя амплитудная модуляция синусоидальным напряжением с частотами 400 Гц и 1000 Гц, — внешняя амплитудная модуляция синусоидальным напряжением с частотой от 50 Гц до 15 кГц, — режим максимального выхода с напряжением на выходе около 2 В только при непрерывной генерации. Все органы управления и индикации расположены на передней панели прибора: — ручка «f»служит для настройки частоты в пределах поддиапазона, — ручка верньера служит для точной установки частоты в пределах поддиапазона для снятия кривых селективности, — ручка «ДИАПАЗОНЫ» служит для переключения блока контурных катушек на нужный поддиапазон, граничные частоты которого обозначены на передней панели прибора, — ручка переключателя рода работ служит для переключения прибора в режим амплитудной модуляции (400 Гц или 1000 Гц) или в режим непрерывной генерации «ВНЕШН.МОД.», « V.н.г.», — ручка «-0-» служит для установки в нуль стрелочного измерителя, — ручка «УСТАНОВКА УРОВНЯ «К» служит для установки уровня несущей на риску «К» стрелочного измерителя при ка20

либровке прибора, — ручка «УРОВЕНЬ «К» «М%» служит для включения стрелочного измерителя либо в положение измерения модуляции, либо в положение контроля уровня несущей, — ручка «УСТ.М%» служит для установки глубины модуляции, — ручки «ВЫХОД» служат: а) ручка, несущая на себе лимб, разделенный на 100 делений, служит для изменения ослабления ступенчатого аттенюатора через 20 дБ. б) ручка «мV» служит для плавного изменения ослабления аттенюатора в пределах 2 дБ. — стрелочный измерительный прибор служит: а) для контроля уровня несущей, б) для измерения глубины модуляции, — разъем «0,1— 1 V»служит для соединения прибора с исследуемой схемой в случае работы с некалиброванным напряжением. В случае работы с калиброванным напряжением от 0,1 мкВ до 0,1 В нагрузка подключается к выходу «мV», — разъем «ВНЕШН.МОД.» служит для соединения прибора с источником модулирующего напряжения, — тумблер «СЕТЬ» предназначен для включения и выключения прибора, — тумблер «ГЕН.ВЧ» служит для включения и выключения генератора и УВЧ. Порядок работы с прибором Перед включением прибора в питающую сеть необходимо ручки прибора установить в начальные положения. Работа генератора в режиме непрерывной генерации Выключатель питания поставит во включенное положение. Дать прибору прогреться 3…5 минут. Тумблер «УРОВЕНЬ «К» «М%» поставить в положение «УРОВЕНЬ «К». Вставить в гнездо «мV» штекер с кабелем и делителем на конце. Установить переключатель рода работ в положение «ВНЕШН. МОД.». Ручкой установки нуля установить стрелку измерителя на 0. 21

Включить выключатель анодного напряжения генератора («ГЕН.ВЧ»). Дать прибору прогреться в течение 15 минут. Установить переключатель «ДИАПАЗОНЫ МHz» в положение, соответствующее требуемому диапазону. Установить нужную частоту в пределах диапазона прибора и более плавно отрегулировать ее верньерной ручкой. Вращением ручки «УСТАНОВКА УРОВНЯ «К» установить стрелку измерителя на риску «К». Визир «мV» установить влево до отказа. Поворотом ручек делителя и визира «мV» совместить нужное деление на лимбе с риской визира. При повороте ручки «мV» стрелка индикатора уровня отклоняется влево, при этом уровень «К» поправлять нельзя. Установить необходимый множитель декадного делителя. Подключить исследуемую схему к нужному зажиму на выносном делителе. Манипулируя ручками аттенюаторов, ручкой «мV», используя тот или иной зажим выносного делителя, на конце кабеля можно получить требуемую величину выходного напряжения в пределах от 0,1 мкВ до 0,1 В. Работа генератора в режиме внутренней амплитудной модуляции При снятом модулирующем напряжении и верхнем («УРОВЕНЬ «К») положении тумблера «УРОВЕНЬ «К» «М%» производится установка стрелки измерителя уровня выходного сигнала на контрольную риску (визир «мV» при этом в левом крайнем положении). Затем устанавливают переключателем рода работ в положение 400 Гц или 1000 Гц, ставят тумблер «УРОВЕНЬ «К» «М%» в положение «М%» и непосредственно по стрелочному измерителю устанавливают требуемый процент глубины модуляции в пределах от 10% до 95% с помощью ручки «УСТ.М%». Работа генератора в режиме внешней амплитудной модуляции Для осуществления модуляции в широком диапазоне частот необходимо модулировать генератор от внешнего источника на22

пряжения звуковой частоты. Высшая частота модуляции Fмакс в зависимости от частоты несущей fн определяется выражением: Fмакс<0,02fн. Порядок работы в режиме внешней модуляции тот же самый, что и при внутренней модуляции, за исключением того что переключатель рода работ должен быть установлен в положение внешней модуляции («ВНЕШН.МОД.»). Напряжение от модулирующего генератора подается на гнездо «ВНЕШН.МОД». Установка глубины модуляции производится изменением выходного напряжения внешнего модулятора. Генератор сигналов низкочастотный Г3-120 Генератор сигналов низкочастотный Г3-120 представляет собой источник синусоидального и прямоугольного сигналов и предназначен для исследования, настройки и испытаний систем и приборов, используемых в радиоэлектронике, связи, автоматике, вычислительной и измерительной технике, приборостроении в условиях подвижных ремонтно-поверочных органов. Диапазон частот от 5 Гц до 500 кГц перекрывается пятью диапазонами с плавной перестройкой внутри поддиапазонов : 1-й поддиапазон (х1) — 5…50 Гц ; 2-й (х10) — 50…500 Гц ; 3-й (х102) — 500 Гц…5 Кгц; 4-й (х103) — 5…50 кГц; 5-й (х104) — 50…500 кГц. Основная погрешность установки частоты : 5…10%. Наибольшее значение уровня выходного напряжения синусоидального сигнала не превышает 5 В при сопротивлении нагрузки 600 Ом, 10 В без нагрузки. Ступенчатая регулировка выходного напряжения синусоидального сигнала осуществляется встроенным аттенюатором ступенями через 10 дБ в пределах от 0 до 60 дБ. Выходное сопротивление генератора для синусоидального сигнала 600 Ом. Генератор обеспечивает на отдельном выходе дополнительно сигнал прямоугольной формы в диапазоне частот от 5 Гц до 500 кГц со следующими характеристиками : 23

а) размах напряжения сигнала не менее 10 В при сопротивлении нагрузки 600 Ом. б) скважность сигнала 2. в) длительность фронта и среза сигнала прямоугольной формы при сопротивлении нагрузки 600 Ом и параллельной емкости 12 пФ не превышает 50 нс. В генераторе предусмотрен режим внешней синхронизации синусоидальным сигналом. Порядок работы с прибором На передней панели прибора расположены органы управления, настройки и подключения: «СЕТЬ» — тумблер включения сети; «МНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ» — переключатель поддиапазонов частот с положениями «1», «10», «102», и т.д.; «Hz»—ручка плавной перестройки частоты; «◄dB»—переключатель аттенюатора с положением дискретного ослабления уровня выходного напряжения синусоидального сигнала «0», «10», «20», «30», «40», «50», «60» дБ; ручка плавной регулировки уровня выходного напряжения синусоидального сигнала и выходное гнездо; ручка плавной регулировки уровня выходного напряжения прямоугольного сигнала и выходное гнездо; «СИНХР.» — выходное гнездо для внешнего синхронизирующего сигнала. Подготовка к проведению измерений Установить органы управления и контроля в следующие положения : — ручки плавной регулировки выходных напряжений установить в среднее положение; — ручку «◄dB»в положение «0». Остальные органы управления могут находиться в произвольном положении. Переключатель «СЕТЬ» ставят в положение «ВКЛ.».

24

Проведение измерений Генератор обеспечивает следующие режимы работы: генерирование сигнала синусоидальной и прямоугольной форм. Генератор допускает также работу в режиме синхронизации, когда частота его синхронизируется внешним сигналом. Для работы генератора в режиме синусоидального сигнала подключить соответствующую нагрузку к гнезду «~». Установить необходимую частоту выходного сигнала переключателем «МНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ» и шкалой «Hz». Установить требуемое напряжение синусоидального сигнала по измерителю уровня ручкой «~» регулировки выходного напряжения. При необходимости иметь малые уровни выходного напряжения (< 1.5 В) ручкой «◄dB»установить одно из положений 10, 20, 30, 40, 50, 60 в зависимости от требуемого уровня выходного сигнала. Для работы генератора в режиме генерирования сигнала прямоугольной формы подключить соответствующую нагрузку к гнезду выхода сигнала прямоугольной формы. Частота устанавливается аналогично. При работе генератора в режиме внешней синхронизации подать на гнездо «СИНХР.» синусоидальный сигнал напряжением 1 В. Далее подключить нагрузку к гнезду «~» или «П» зависимости от требуемой формы сигнала. Установить частоты внешнего источника сигнала и генератора, отличающимися не более, чем на 1%. Цифровой вольтметр В7- 38 Универсальный цифровой вольтметр В7-38 предназначен для измерения напряжения постоянного и переменного тока, сопротивления участка цепи постоянному току, величины постоянного и переменного тока (при использовании внешнего шунта). Прибор измеряет средневыпрямленное значение переменного напряжения, а проградуирован в среднеквадратических значениях. Прибор измеряет: - напряжение постоянного тока от 10 мкВ до 1000 В; 25

- напряжение переменного тока 10 мкВ до 300 В в диапазоне частот от 30 Гц до 100 кГц; - сопротивление постоянному току от 0,01 Ом до 20 МОм; - величину постоянного тока от 0,01 мкА до 2 А; - величину переменного тока 0,01 мкА до 2 А в диапазоне частот от 30 Гц до 20 кГц. Результаты измерений индицируются на цифровом табло.

Контрольные вопросы 1. Как производится калибровка ГСС, зачем это нужно делать? 2. Назовите назначение и основные параметры прибора С1-112. 3. Назовите назначение и основные параметры прибора Г4-18. 4. Назовите назначение и основные параметры прибора Г3-120. 5. Назовите назначение и основные параметры прибора В3-38. 6. Назовите назначение и основные параметры приборов БИС. 7. Назовите назначение основных органов управления стенда К32. 8. Как можно обеспечить амплитудную модуляцию колебаний ГСС Г4-18? 9. Как можно оценить глубину амплитудной модуляции?

26

Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ RC-УСИЛИТЕЛЕЙ Цель работы Ознакомление со схемами включения биполярных и полевых транзисторов в усилительных каскадах, экспериментальная оценка их основных параметров и исследование влияния режима транзистора по постоянному току на его усилительные свойства и нелинейные искажения усиливаемого сигнала. Краткие сведения Усилителем называют в электронике устройство, которое осуществляет управление энергией источника постоянного тока (источника питания) по закону изменения электрического сигнала во много раз меньшей мощности. По роду усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители импульсных и гармонических сигналов. По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени — на усилители постоянного тока (усилители медленно изменяющихся сигналов) и усилители переменного тока, в свою очередь подразделяемые на усилители низкой частоты, высокой частоты, избирательные, широкополосные и другие типы. Наиболее часто в электронных устройствах встречаются усилители на полупроводниковых приборах: на полевых (униполярных) и биполярных транзисторах, на интегральных микросхемах. В теории электронных устройств усилитель рассматривается как активный четырехполюсник, имеющий два входных полюса для подключения источника усиливаемого сигнала и два выходных для подключения нагрузки, а транзистор имеет только три вывода: базу (затвор), коллектор (сток) и эмиттер (исток). Один из выводов транзистора в усилителе является общим для источника сигнала и нагрузки. В зависимости от того, какой вывод является общим, разли27

чают три схемы включения транзистора в усилителе: с общим эмиттером ОЭ (с общим истоком ОИ),с общей базой ОБ (с общим затвором ОЗ) и общим коллектором ОК (с общим стоком ОС). Конкретная схема включения транзистора выбирается исходя из требований, предъявляемых к усилителю. Примеры усилителей с различными схемами включения транзисторов приведены на рис.2.1. Эффективность работы транзистора в усилительном каскаде зависит от напряжений на p-n-переходах. Для задания рабочей точки (режима) транзистора служат цепи питания, содержащие сопротивления, включенные в цепи базы и эмиттера (затвора и истока). При выборе величин этих сопротивлений приходится учитывать противоречивые требования по обеспечению стабильности режима и уменьшению влияния элементов питания на источник усиливаемого сигнала. Более подробно с транзисторными усилителями, способами их включения и стабилизации их параметров можно ознакомиться, например, по [1]. Описание лабораторной установки Макет с исследуемым усилителем (схема включения транзистора указана на плате) устанавливается в стенд К-32. Генератор испытательных сигналов Г4-18 (или Г3-120) подключается к гнездам «Вход 2» стенда для макета с усилителем ОЭ, и гнездам «Вход 1» стенда для остальных макетов, осциллограф С1-112 или цифровой вольтметр В7-38 — к контрольным гнездам макета в соответствии с программой исследований для измерения параметров режима работы транзистора и напряжения сигнала. Режим работы транзистора в зависимости от номера макета изменяется с помощью потенциометров, включаемых в цепь базы и эмиттера (затвора и истока). Для исследования усилительных свойств каскада используется испытательный гармонический (синусоидальный) сигнал с выхода измерительного генератора частотой не более 500 кГц. Оценку амплитуды сигнала на входе усилителя и его выходе можно выполнять с помощью осциллографа или вольтметра. Схемы макетов для исследования приведены на рис.2.2. 28

а) Усилительный каскад с об- б) Усилительный каскад с общим коллектором (ОК) щим эмиттером (ОЭ)

в) Усилительный каскад с об- г) Усилительный каскад с общей базой (ОБ) щим затвором (ОЗ)

д) Усилительный каскад с об- е) Усилительный каскад с общим истоком (ОИ) щим стоком (ОС) Рис. 2.1 29

а) схема макета усилителя ОЭ

б) схема макета усилителя ОС

в) схема макета усилителя ОИ

г) схема макета усилителя ОЗ Рис. 2.2

30

Рабочее задание А. Исследование усилителя ОЭ 1. Собрать лабораторную установку. Установить потенциометр Rэ в крайнее левое положение. Включить питание приборов, стенда К-32, а также его источники +15 В и -15 В. Убедиться в работоспособности установки. 2. Выполнить измерения согласно табл. 2.1, на входе усилителя установить сигнал напряжением 20…50 мВ. Таблица 2.1 Uс, мВ Uс вх, мВ ∆Uс мВ

Rвх

Uвых

Ку

Uбэ=

Uк=

Iк=

В таблице использованы следующие обозначения: — Uс вх — напряжение испытательного сигнала на входе усилителя, измеряемое на гнезде «XS1»; — Uс — напряжение испытательного сигнала на выходе генератора Г 3-120, измеряемое на гнезде «XS 2»; — ∆Uс - падение напряжения испытательного сигнала на добавочном резисторе Rдоб; ∆Uс = Uс - Uс.вх = U1—2; Rдоб= 1 кОм. — Uвых —напряжение испытательного сигнала на выходе усилителя, измеряемое на гнезде «XS4»; — Ку — коэффициент усиления усилителя, Ку = Uвых/Uс.вх; — Rвх — входное сопротивление усилителя. Можно показать, что Rвх ≈ (Uс.вх /∆Uс)×Rдоб. — Uбэ= — постоянное напряжение на переходе «базаэмиттер», измеряемое между гнездами «XS1» и «XS3»; — Uк= —постоянное напряжение на коллекторе, измеряемое на гнезде «XS4»; — Iк= — ток коллектора, определяемый как Iк==(Ек —Uк=)/Rк, где Ек = 15 В, а Rк = 2 кОм. 3. Выполнить измерение для построения амплитудной характеристики усилителя (снять зависимость выходного сигнала от входного). Результаты представить в виде таблицы и графика. Таблица 2.2 Uс вх, мВ 10 Uвых, мВ

20

40

60

100

250

500

1000

2000

Зарисовать осциллограммы выходного сигнала усилителя 31

для трех значений входного: 20 мВ, 100 мВ и 1000 мВ. 4.Сделать выводы о влиянии режима транзистора на усилительные свойства каскада ОЭ (ОИ) и записать их в отчет. 5.Повторить измерения и программу пунктов 2-4 для среднего и крайнего правого положения потенциометра Rэ (Rи). 6.Сделать выводы о влиянии сопротивления в цепи эмиттера на коэффициент усиления и нелинейные искажения сигнала в усилителе и записать их в отчет. Б. Исследование усилителя ОИ 1. Собрать лабораторную установку. Установить потенциометр Rи в крайнее левое положение. Включить питание приборов, стенда К-32, а также его источники +15 В и -15 В. Убедиться в работоспособности установки. 2. Выполнить измерения согласно табл. 2.3, на входе усилителя установить сигнал напряжением 20…50 мВ. Таблица 2.3 Uс, мВ Uс вх, мВ ∆Uс мВ

Rвх

Uвых

Ку

Uбэ=

Uк=

Iк=

В таблице использованы следующие обозначения: — Uс вх — напряжение испытательного сигнала на входе усилителя, измеряемое на гнезде «XS1»; — Uс — напряжение испытательного сигнала на выходе генератора Г3-120, измеряемое на гнезде «XS2»; — ∆Uс - падение напряжения испытательного сигнала на добавочном резисторе Rдоб; ∆Uс = Uс —Uс.вх = U1—2; Rдоб= 100 кОм. — Uвых —напряжение испытательного сигнала на выходе усилителя, измеряемое на гнезде «XS4»; — Ку — коэффициент усиления усилителя, Ку = Uвых/Uс.вх; — Rвх — входное сопротивление усилителя. Можно показать, что Rвх ≈ (Uс.вх /∆Uс)×Rдоб. — Uзи= — постоянное напряжение на переходе «затвористок», измеряемое между гнездами «XS1» и «XS3»; — Uс= —постоянное напряжение на стоке, измеряемое на гнезде «XS4»; — Iс= — ток стока, определяемый как Iс= = (Ес - Uс=)/Rс, где Ес = 15 В, а Rс = 2 кОм. 32

3. Выполнить измерение для построения амплитудной характеристики усилителя (снять зависимость выходного сигнала от входного. Результаты представить в виде таблицы и графика. Таблица 2.4 Uс вх, мВ 10 Uвых, мВ

20

40

60

100

250

500

1000

2000

Зарисовать осциллограммы выходного сигнала усилителя для трех значений входного: 20 мВ, 100 мВ и 1000 мВ. 4.Сделать выводы о влиянии режима транзистора на усилительные свойства каскада ОИ и записать их в отчет. 5.Повторить измерения и программу пунктов 2-4 для среднего и крайнего правого положения потенциометра Rи . 6.Сделать выводы о влиянии сопротивления в цепи эмиттера на коэффициент усиления и нелинейные искажения сигнала в усилителе и записать их в отчет. В. Исследование усилителя ОЗ 1.Собрать лабораторную установку. Включить питание приборов стенда К-32 и его источники +15 В, -15 В. Убедиться в работоспособности установки. 2.Выполнить измерения и расчеты согласно табл. 2.5 для трех положений потенциометра Rз: крайнего левого, среднего и крайнего правого. Сигнал на входе усилителя установить равным 20 …50 мВ. Таблица 2.5 Uс, мВ Uс вх, мВ ∆Uс мВ

Rвх

Uвых

Ку

Uбэ=

Uк=

Iк=

Коэффициент усиления усилителя Ку = Uвых/Uс вх, входное сопротивление усилителя Rвх ≈ (Uс.вх /∆Uс)×Rдоб. 3.Сделать выводы о влиянии режима работы транзистора на усилительные свойства каскада ОЗ и записать их в отчет. 4.Зарисовать осциллограммы с соблюдением масштаба напряжения сигнала на выходе усилителя. Письменно объяснить влияние режима транзистора на искажения сигнала. 33

5.Установить потенциометр смещения на затворе Rз в положение, соответствующее максимальному усилению без искажения сигнала. Выполнить измерения для построения амплитудной характеристики усилителя (снять зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного). Результаты представить в виде таблицы и графика. Таблица 2.6 10 20 40 60 100 250 500 1000 2000 Uс вх, мВ Uвых, мВ 6.Сделать выводы о свойствах усилителя ОЗ и записать их в отчет. Г. Исследование усилителя ОС 1.Собрать лабораторную установку. Включить питание приборов стенда К-32 и его источники +15 В, -15 В. Убедиться в работоспособности установки. 2.Выполнить измерения и расчеты согласно табл. 2.7 для трех положений потенциометра Rз: крайнего левого, среднего и крайнего правого. Сигнал на входе усилителя установить равным 20 …50 мВ. Таблица 2.7 № n/n Uс вх 1 2 3

Uс

∆Uс мВ

Rвх

Uвых Ку

Uзи=

Uс=

Iс=

Коэффициент усиления усилителя Ку = Uвых/Uс вх, входное сопротивление усилителя Rвх ≈ (Uс.вх /∆Uс)×Rдоб. 3.Сделать выводы о влиянии режима работы транзистора на усилительные свойства каскада ОС и записать их в отчет. 4.Зарисовать осциллограммы с соблюдением масштаба напряжения сигнала на выходе усилителя. Письменно объяснить влияние режима транзистора на искажения сигнала. 5.Установить потенциометр смещения на затворе Rз в положение, соответствующее максимальному усилению без искажения сигнала. Выполнить измерения для построения амплитудной 34

характеристики усилителя (снять зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного). Результаты представить в виде таблицы и графика. 6.Сделать выводы о свойствах усилителя ОС и записать их в отчет. Таблица 2.8 Uс вх, мВ Uвых, мВ

10

20

40

60

100

250

500

1000

2000

Контрольные вопросы 1.Дайте краткую характеристику усилителя ОЭ. 2.Дайте краткую характеристику усилителя ОИ. 3.дайте краткую характеристику усилителя ОБ. 4.Дайте краткую характеристику усилителя ОЗ. 5.Дайте краткую характеристику усилителя ОК. 6.Дайте краткую характеристику усилителя ОС. 7.Поясните требования, предъявляемые к базовому делителю напряжения. 8.Как обеспечивается температурная стабилизация режима работы транзистора? 9.Какое влияние оказывают элементы термостабилизации режима на усилительные свойства транзистора? 10.Какими преимуществами обладают биполярные транзисторы по сравнению с полевыми (униполярными) в усилительных каскадах? 11.Какими преимуществами обладают полевые транзисторы по сравнению с биполярными в усилительных каскадах? 12.Как учитывается Iко при выборе элементов питания транзистора.

35

Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Цель работы Ознакомление с вариантами соединения транзисторов для получения двухтранзисторных и многотранзисторных усилительных элементов, экспериментальная оценка их основных параметров и усилительных свойств. Краткие сведения В транзисторных усилителях на дискретных элементах часто используется в каждом усилительном каскаде только один транзистор, включенный по одной из схем, исследованных в лабораторной работе № 2 (ОЭ, ОК, ОБ, ОИ, ОС или ОЗ). Каскады таких усилителей (особенно резонансных) имеют достаточно высокий коэффициент усиления, однако его не всегда удается реализовать из-за снижения устойчивости работы усилителя, вызванного действием паразитной внутренней обратной связи в транзисторе. Противоречие между высокими усилительными свойствами и опасностью неустойчивой работы привело к необходимости применения различных схем компенсации внутренней обратной связи или к использованию многотранзисторых усилительных элементов, среди которых наибольший интерес представляют двухтранзисторные структуры. В зависимости от схемы соединения транзисторов принято различать составные транзисторы и каскодное соединение транзисторов. В обоих случаях транзисторы соединяются между собой без элементов, согласующих выходное сопротивление предыдущего и входное сопротивление последующего каскадов. У составных транзисторов соединяются по два вывода, при этом в нагрузке существует ток обоих транзисторов, сама же двухтранзисторная структура имеет для включения в схему три вывода, как и обычный транзистор. Наибольшее распространение получил составной транзистор по схеме Дарлингтона (рис.3.1).

36

При таком соединении транзисторов необходимо учитывать, что токи первого VT1 и второго VT2 транзисторов существенно различаются между собой. Однако правильный выбор режимов транзисторов, а также включение дополнительных элементов позволяет соединять между Рис. 3.1 Составной собой как однотипные транзисторы, так транзистор по схеи разные по мощности, проводимости ме Дарлингтона. (комплементарные пары) и разного вида (биполярные и униполярные). Каскодное соединение транзисторов предусматривает такое их включение, при котором на первый транзистор VT1 подается усиливаемый сигнал, а нагрузка подключается к последнему транзистору (у двухтранзисторных каскодных схем нагрузка подключается ко второму транзистору VT2). Варианты каскодных схем приведены на рис.3.2.

Рис.3.2. Варианты каскодных соединений транзисторов. Название многотранзисторных усилительных элементов и соответствующим им каскадов определяется по схемам включе37

ния в них транзисторов. Так, например, если первый транзистор каскодной схемы включен с общим эмиттером, а второй — с общей базой, то такая схема получила название ОЭ-ОБ. Преимущества составных и каскодных многотранзисторных элементов проявляются при их использовании для усиления высокочастотных радиосигналов. Благодаря уменьшению паразитной обратной связи по сравнению с одиночным транзистором значительно уменьшаются собственные высокочастотные шумы, повышается устойчивость. Большое применение многотранзисторные элементы получили при разработке интегральных микросхем, где наиболее остро встают проблемы повышения устойчивости при большом коэффициенте усиления и отказа от согласующих элементов и разделительных конденсаторов между каскадами. Более подробно с многотранзисторными элементами можно познакомиться по [1]. Описание лабораторной установки Работа выполняется на лабораторном стенде К-32 с использованием осциллографа С1-112, генератора Г3-120 (или Г 4-18) и цифрового вольтметра В7-38. При измерении высокочастотных сигналов можно применять милливольтметр В3-38, а для оценки коэффициента нелинейных искажений - прибор С6-1А.

Рис.3.3. Схема подключения приборов. В работе исследуется каскодная схема ОЭ-ОБ, входящая в 38

высокочастотный усилитель блока ПУ возбудителя «БОТ» судовых радиопередатчиков, каскодные схему ОК-ОЭ и ОК-ОБ усилителей высокой частоты, а также трехтранзисторный усилительный элемент ОИ-ОИ-ОИ усилителя низкой частоты в интегральном исполнении К1УС671. Схема исследуемого усилителя ОЭ-ОБ с указанием контрольных гнезд приведена на рис.3.4.

Рис. 3.4. Каскодный усилитель ОЭ-ОБ блока «ПУ». Базовый делитель R2, R3 и эмиттерные резисторы R4 и R5 задают режим каскодной схемы по постоянному току. Резисторы R4 и R6 имеют небольшое сопротивление и установлены для повышения стабильности коэффициента усиления и уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала. В технической литературе сопротивление, включаемое между коллектором транзистора и колебательным контуром (R6), получило название «антипаразитного», так как его включение уменьшает действие внутренней (паразитной) обратной связи в транзисторе (y12). Полная схема блока ПУ (преобразователя-усилителя) возбудителя «БОТ» приведена на рис.3.5. На рис.3.6 приведена схема высокочастотного каскодного усилителя ОК-ОЭ.

39

Рис. 3.6. Каскодный УВЧ ОК-ОЭ. На рис.3.7 приведена схема высокочастотного каскодного усилителя ОК-ОБ.

Рис. 3.7. Каскодный УВЧ ОК-ОБ. Резистор R3 включен для начальной балансировки усилителя. При незначительном отличии входных статических характеристик транзисторов VТ1 и VТ2 может произойти полное запирание одного из них за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении R4, вызванного током эмиттера другого транзистора. Перед началом исследования каскодной схемы необходимо установить резистор R3 в положение, при котором коэффициент усиления усилителя достигает максимального значения. Схема интегрального усилителя К1УС671 с тремя МДПтранзисторами со встроенным каналом, включенными по схеме 40

ОИ-ОИ-ОИ, приведена на рис.3.8а, а схема его включения с указанием контрольных гнезд - на рис.3.8б.

Рис.3.8. Многотранзисторный усилитель ОИ-ОИ-ОИ Испытательный сигнал от генератора подается на гнезда «Вход 1»стенда. Рабочее задание А. Исследование каскодной схемы 1. Собрать установку для исследований согласно рис.3.3. Убедиться в ее работоспособности, для чего на вход усилителя подать колебания от генератора Г 4-18 амплитудой 10..50 мВ и наблюдать с помощью осциллографа усиленный сигнал на выходе. ВНИМАНИЕ! Ориентировочное значение резонансной частоты усилителя указано на макете. При проведении измерений значение резонансной частоты может отличаться от указанного на макете на 5…20 % из-за увеличения контурной емкости на величину емкости соединительного кабеля подключаемого прибора. 2. Исследовать режим работы транзисторов усилителя по постоянному току. Измерить напряжения постоянного тока всех контрольных точек относительно общей шины усилителя. Пользуясь соответствующей схемой исследуемого усилителя и результатами измерений, определить напряжения на резисторах усилителя и по закону Ома оценить токи транзисторов и управ41

ляющие напряжения p-n-переходов. При измерении напряжений постоянного тока обратите внимание на полярность напряжений. При вычислении величин токов транзисторов учитывайте потенциалы контрольных точек и тех участков схемы, к которым подключены резисторы усилителей. Питание усилителя осуществляется от двухполярного источника (+15 В) — (0) — (-15 В). Нарисовать в отчете схему усилителя и нанести на нее карту напряжений (измеренные напряжения на контрольных гнездах), определить токи транзисторов и указать их на схеме усилителя. Записать в отчет выводы о выборе режимов работы транзисторов в усилителе. Целесообразно сопоставить результаты этого пункта задания с результатами лабораторной работы № 2. 3. Определить коэффициенты усиления обоих транзисторов и всего усилителя на частоте его настройки, а также его входное сопротивление. Оценить влияние базового делителя на входное сопротивление усилителя, сравнив полученные результаты с номинальными значениями резисторов, с помощью которых задается смещение на базе. Для оценки входного сопротивления усилителя на входе добавлен резистор R1 (сопротивление указано на соответствующей схеме). Измерив напряжения высокочастотного сигнала на гнездах “XS1” “XS2”, можно определить, какая часть входного сигнала падает на добавочном резисторе, а какая — на входном сопротивлении. Используя законы Ома и Кирхгофа, выполняют необходимые вычисления: Kу1 = UС3/UС2; Kу2 = UС5/UС3; Kу = UС5/UС2; Rвх = R1⋅UС2/(UС1-UС2) [Ом], где UС1; UС2; UС3; UС5 – напряжения высокочастотного испытательного сигнала на соответствующих гнездах макета. Записать в отчет выводы о работе каждого транзистора в каскодной схеме и о свойствах всего усилителя.

42

Б. Исследование трехтранзисторного усилителя ОИ-ОИ-ОИ 1. Собрать установку для исследований согласно рис.3.3 и убедиться в ее работоспособности, для чего на вход усилителя подать колебания с генератора Г3-120 (или Г4-18) амплитудой 1…10 мВ частотой 50…150 кГц. 2.Оценить режим работы транзисторов по постоянному току, измерив постоянные напряжения на контрольных точках относительно общей шины и определив ток выходного транзистора и всего усилителя. Результаты измерений и расчетов указать на схеме, нарисовав ее в отчете. 3. Определить коэффициент усиления усилителя и его входное сопротивление и оценить влияние сопротивления резистора, включенного между гнездами »и »макета на коэффициент усиления и нелинейные искажения усиливаемого сигнала. При оценке нелинейных искажений испытательный сигнал на входе усилителя увеличить до 20…50 мВ. Измерение нелинейных искажений можно выполнить с помощью прибора С6-1А. Записать в отчет выводы о свойства многотранзисторных усилительных элементов. Контрольные вопросы 1. С какой целью применяются многотранзисторные усилительные элементы? 2. Изобразите каскодную схему ОЭ-ОЭ с элементами задания режима и дайте характеристику ее свойств. 3. Изобразите каскодную схему ОЭ-ОБ с элементами задания режима и дайте характеристику ее свойств. 4. Изобразите каскодную схему ОБ-ОЭ с элементами задания режима и дайте характеристику ее свойств. 5. Изобразите каскодную схему ОЭ-ОК с элементами задания режима и дайте характеристику ее свойств. 6. Изобразите каскодную схему ОК-ОЭ с элементами задания режима и дайте характеристику ее свойств. 7. Изобразите каскодную схему ОБ-ОК с элементами задания режима и дайте характеристику ее свойств. 43

8. Изобразите каскодную схему ОК-ОБ с элементами задания режима и дайте характеристику ее свойств. 9. Чем отличается усилитель на многотранзисторном усилительном элементе от многокаскадного усилителя на транзисторах? Лабораторная работа № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ Цель работы Ознакомление с транзисторным дифференциальным каскадом и усилителем на его основе, экспериментальная оценка их основных параметров и свойств, исследование интегрального операционного усилителя. Краткие сведения В транзисторных усилителях при изменении температуры окружающей среды и при нагреве элементов при работе радиоаппаратуры происходит смещение рабочей точки транзистора под действием теплового тока базы Iткбос и соответствующее изменение режима каскада. Одним из способов борьбы с этим недостатком является применение дифференциального каскада, схема которого приведена на рис.4.1. Основное преимущество дифференциального каскада заключается в том, что постоянные составляющие токов обоих транзисторов при изменении температуры изменяются одинаково, вследствие чего напряжение между их коллекторами практически не зависит от температуры. Особенно это важно при непосредственном соединении транзисторных каскадов без разделиРис. 4.1 тельных конденсаторов, как это делается в интегральных микросхемах. 44

Дифференциальные каскады применяются и в радиоаппаратуре на дискретных элементах, но их достоинства в полной мере проявляются в интегральном исполнении, при котором все элементы усилителя (кроме избирательных цепей) изготавливают на одной подложке единым технологическим процессом. Такой способ изготовления гарантирует незначительный разброс параметров обоих плеч каскада, а близкое их расположение на подложке обеспечивает одинаковые температурные условия. Дифференциальный каскад имеет два входа, на которые усиливаемый сигнал может подаваться тремя способами: двухфазным, синфазным и несимметричным однофазным, как показано на рис.4.2.

а) Двухфазное включение

б) Синфазное включение Рис. 4.2

в) однофазное включение

В усилителях высокой и промежуточной частоты радиоприемных устройств наиболее часто используют несимметричное однофазное включение каскада, при котором сигнал подается на один вход, а второй вход для переменного тока накоротко замыкается с общим проводом блока. Как нетрудно убедиться, такое включение дифференциального каскада соответствует каскодной схеме ОЭ-ОБ. Более подробно о дифференциальном каскаде можно прочитать, например, в [1]. Поскольку дифференциальные каскады можно соединять между собой без разделительных конденсаторов, на их основе выполняют многокаскадные усилители в интегральном исполнении с очень большим коэффициентом усиления (до 106 раз по напряжению) и с возможностью усиления как постоянного тока, так и высокочастотных сигналов до сотен мегагерц. Такие усилители получили название «операционных», так 45

как при подключении к ним дополнительных элементов получаются устройства, выполняющие различные математические операции над сигналом (умножение, деление, сложение, логарифмирование, интегрирование и т.д.) Описание лабораторной установки Работа выполняется на лабораторном стенде К-32. При выполнении измерений используются следующие контрольноизмерительные приборы: — генератор сигналов высокочастотный Г 4-18; — генератор сигналов низкочастотный Г 3-120; — осциллограф С 1-112; — цифровой вольтметр В 7-38; — милливольтметр В 3-36. Макет с исследуемым усилителем на дифференциальном каскаде устанавливается на стенд К-32. Усилитель собран на интегральной микросхеме операционного усилителя КР140УД8А. В его состав входит два дифференциальных каскада, а также каскад сдвига уровня и выходной усилитель. Схема лабораторной установки представлена на рис. 4.3, а макета - рис.4.4.

Рис. 4.3 Переменный резистор R3 (Rбал.), включенный между выводами 1 и 5 микросхемы, позволяет выполнить балансировку усилителя, которая может быть нарушена из-за разброса параметров элементов и напряжения источников питания усилителя. Резистор R4 (Rу), включенный между выходом и входом усилителя, позволяет регулировать коэффициент усиления. Величины сопротивлений указаны на схеме. 46

Рис. 4.4 Усилитель имеет два входа: инвертирующий, подключенный к гнезду “2”и неинвертирующий (гнездо “3”). Гнездо “1” подключено к входу “Вход 1” блока К-32. Соединение этого гнезда с соответствующим входом усилителя выполняется с помощью перемычки. Выходной сигнал усилителя поступает на гнезда “4” и “6”. Рабочее задание 1. Собрать лабораторную установку, подать на гнездо “Вход 1” испытательный сигнал частотой 1…10 кГц и амплитудой 50 мВ. Гнездо “3” соединить с общей шиной (гнездо “7”). Убедиться в работоспособности макета. С помощью резистора R3 выполнить балансировку усилителя, добившись равенства нулю постоянного выходного напряжения усилителя. 2. Установить резистор R4 в крайнее правое положение. Выполнить измерения согласно табл. 4.1 и построить частотную характеристику усилителя, поддерживая напряжение сигнала на его входе 50 мВ. Таблица 4.1 f, кГц 1 2 5 10 100 200 300 400 500 Uвых, мВ 3. Повторить программу п.2 для среднего и крайнего левого положения регулятора Ку. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет. 47

4. Подключить гнездо “2”к общей шине (гнездо “7”), а испытательный сигнал подать на вход “3”. Измерить коэффициент усиления усилителя для крайних положений регулятора Ку на частоте испытательного сигнала 10 кГц. Сравнить полученные результаты с результатами п.2 и 3. 5. Отключить гнездо “2” от общей шины и повторить измерения по п.4. Дать письменное объяснение полученным результатам. 6. Соединить между собой гнезда “1”, “2” и “3”. Измерить коэффициент усиления для крайних положений регулятора Ку на частоте испытательного сигнала 10 кГц. Пояснить полученные результаты. 7. Оценить влияние регулятора баланса усилителя на коэффициент подавления синфазного сигнала, повторив программу п.6 для крайних положений регулятора баланса R3. Подключить к гнездам “Вход 1” стенда генератор Г4-18А. Включить амплитудную модуляцию испытательного сигнала глубиной m = 30 % при частоте 100…200 кГц. Зарисуйте осциллограммы выходного напряжения усилителя для случая точной балансировки и для крайних положений регулятора баланса. Выводы необходимо записать в отчет. Контрольные вопросы 1. Какие каскады называют дифференциальными? Нарисуйте схему дифференциального каскада. 2. Дайте характеристику основных свойств дифференциального каскада. 3. Почему в интегральных усилителях часто используется дифференциальный каскад? 4. Дайте характеристику синфазному включению сигнала на вход усилителя. 5. Дайте характеристику двухфазному включению сигнала на вход усилителя. 6. Дайте характеристику несимметричному однофазному включению сигнала на вход усилителя. 7. Сравните коэффициент усиления дифференциального усилителя с однотранзисторным каскадом. 48

8. Как преобразовать дифференциальный каскад в каскодную схему ОК-ОБ? 9. Дайте характеристику основных свойств операционного усилителя. 10. Почему интегральная микросхема многокаскадного усилителя получила название “операционный усилитель”? Лабораторная работа № 5 Исследование логарифмических усилителей Цель работы Ознакомление с полупроводниковыми логарифмическими усилителями, экспериментальное исследование логарифмического усилителя, построенного на основе экспоненциального участка вольт-амперной характеристики р-п-перехода, включенного в цепь обратной связи операционного усилителя, оценка его основных параметров и свойств. Краткие сведения Логарифмические (или логарифмирующие) усилители относятся к устройствам нелинейного преобразования сигналов. На их основе выполняются аналоговые умножители и делители сигналов, детекторы, устройства, выполняющие математические операции над сигналом. Логарифмическим называют усилитель, у которого амплитудная характеристика [Uвых = f (Uвх )] имеет вид логарифмической зависимости, как показано на рис. 5.1. Применение усилителя с такой характеристикой позволяет сжать динамический диапазон сигналов, что важно, например, при выводе информации радио- и гидролокационных станций на дисплей для получения одинаковых по яркости отметок от лоцируемых объектов независимо от расстояния до них.

49

Функции нелинейного элемента в логарифмическом усилителе обычно выполняет транзистор. Известно, что в равновесном состоянии через p-n-переход протекает ток, имеющий две составляющие. Одна обусловлена Рис. 5.1 диффузией основных носителей заряда в область, где они являют ся неосновными, другая – дрейфом неосновных носителей заряда теплового происхождения. При приложении к p-n-переходу прямого напряжения это равновесие нарушается. Ток диффузии основных носителей IT за счет снижения потенциального барьера U /ϕ увеличивается в e T раз и является функцией приложенного напряжения: IT' = IT ⋅ exp{U / ϕT } , (5.1) где IT - ток, протекающий в одном направлении через p-nпереход, находящийся в равновесном состоянии. Ток IT называют тепловым или обратным током насыщения. Его значение для полупроводника с определенными концентрациями примесей зависит только от температуры последнего и не зависит от приложенного напряжения. Другая часть тока (ток дрейфа неосновных носителей) остается практически без изменения. Следовательно, результирующий ток через p-n-переход при приложении прямого напряжения будет равен: I пр = IT' − IT = IT (exp{U / ϕT } − 1) . (5.2) Это уравнение идеализированного p-n-перехода, на основе которого определяют вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов. При сравнительно небольшом токе перехода эмиттер-база биполярного транзистора выражение (5.2) выполняется с достаточно высокой точностью.

50

Несложно показать, что если включить биполярный транзистор в цепь обратной связи операционного усилителя, как показано на рис. 5.2, то выходное напряжение устройства будет зависеть от входного в соответствии с выражением: Рис. 5.2

Uвых = ln(Uвх ).

Такие усилители хорошо работают при токах эмиттера, находящихся в диапазоне Iэ =10-9…10-4 А, и имеют погрешность 3…25 % при неизменной температуре. При изменении температуры p-n-перехода погрешность увеличивается. Для уменьшения температурной погрешности рекомендуется использовать два идентичных транзистора с одинаковыми токами, включенные по дифференциальной схеме (рис. 5.3). В этой схеме ток транзистора VT1 зависит от напряжения Uвх, а через транзистор VT2 протекает постоянный ток Iо, зависящий только от температуры p-n-перехода.

Рис. 5.3 При хорошем подборе транзисторов VT1 и VT2 погрешность логарифмического усилителя зависит только от стабильности тока Iо и мало меняется при температурном изменении параметров транзисторов. В приведенной схеме усилитель, собранный на DA2, имеет коэффициент усиления, равный 1, и служит для согласования всего устройства с нагрузкой. В диапазоне повышенных частот (например, в усилителях промежуточной частоты судовых радиолокационных станций) для получения логарифмической зависимости между входным и 51

выходным напряжениями (рис. 5.1) чаще используют структуры с многоканальным суммированием напряжений. Вариант такого усилителя приведен на рис. 5.4.

Рис. 5.4 В нем используется n усилителей Усi с коэффициентом усиления К и двухсторонних амплитудных ограничителей Огрi . Выходные сигналы ограничителей складываются в суммирующем усилителе. При увеличении входного напряжения сигналы, подаваемые на сумматор с выходов отдельных усилителей, перестают меняться по достижении уровней их ограничения. В дальнейшем в формировании выходного напряжения участвуют только те усилители, выходное напряжение которых не достигло уровня ограничения. Амплитудная характеристика такого устройства при достаточно большом n близка по форме к представленной на рис. 5.1. Более подробно о логарифмических усилителях можно прочитать, например, в [1, 2, 4] Описание лабораторной установки Работа выполняется на лабораторном стенде К-32. При выполнении измерений используются следующие контрольноизмерительные приборы: — генератор сигналов низкочастотный Г 3-120; — осциллограф С 1-112; — цифровой вольтметр В 7-38; Макет с исследуемым логарифмическим усилителем устанавливается на стенд К-32, к нему подключаются контрольноизмерительные приборы согласно схеме, представленной на рис.5.5. 52

Рис. 5.5 Усилитель собран на транзисторной микросборке КР198НТ5 и интегральных микросхемах операционного усилителя КР140УД8А. Схема макета представлена на рис.5.6. Переменные резисторы R16 и R20, включенные между выводами 1 и 5 микросхем, позволяют выполнить балансировку усилителей, которая может быть нарушена из-за разброса параметров элементов и напряжения источников питания усилителя. Резистор R21, включенный между выходом и входом второго усилителя, позволяет регулировать коэффициент усиления. Величины сопротивлений указаны на схеме.

Рис. 5.6 Усилитель имеет два входа: инвертирующий, подключенный к выводу «2» микросхемы, и неинвертирующий (вывод «3»). Гнездо XS4 подключено к входу «Вход 1» блока К-32. Выходной сигнал логарифмического усилителя поступает на гнездо XS7 макета. Рабочее задание 1. Собрать лабораторную установку, включить и дать про53

греться в течение 5 минут всем используемым приборам. Включить источник ±15 В блока К-32. Подать на гнезда «Вход 1» блока К-32 испытательный синусоидальный сигнал частотой 100…200 Гц и амплитудой 50 мВ от низкочастотного генератора Г3-120. Установить резистор R21 в среднее положение. Убедиться в работоспособности макета по наличию переменного напряжения на его выходе. С помощью резисторов R16 и R20 выполнить балансировку операционных усилителей, входящих в состав логарифмического усилителя, добившись равенства нулю постоянного выходного напряжения усилителя. Манипулируя поочередно всеми переменными резисторами макета, добиться симметрии выходного сигнала. Уменьшить входной сигнал в 10 раз (до 5 мВ) и повторить процесс настройки макета. Уменьшить входной сигнал до величины, при которой выходной сигнал будет представлять собой практически неискаженную синусоиду, и окончательно настроить макет. 2. Оценить амплитудную характеристику усилителя, для чего, изменяя амплитуду сигнала от 0,5 мВ до 1 В на частоте 100 Гц, измерить выходное напряжение логарифмического усилителя. По результатам измерения определить его коэффициент передачи. Входной сигнал контролировать на гнезде XS4, а выходной — на гнезде XS7. Особенно тщательно выполнять измерения напряжений при уровнях входного сигнала, при которых не наблюдается заметных искажений синусоиды на выходе усилителя, проконтролировав в этом диапазоне не менее 4 точек. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 5.1. Таблица 5.1 № п/п Uвх, мВ Uвых, мВ К

1 0,5

2

3

4

5

6

7

8

9 1000

Результаты представить графически в двух вариантах: Uвых(Uвх) и K(Uвх). 54

Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет. 3. Выполнить измерения согласно табл. 5.2 и построить частотную характеристику усилителя, поддерживая напряжение сигнала на его входе 1 мВ. Таблица 5.2 f, Гц Uвых, мВ

4. Повторить программу п.3 для входного сигнала 5 мВ, 10мВ, 100 мВ и 1 В. Сравнить результаты пунктов 3 и 4 и сделать по ним выводы о влиянии амплитуды входного сигнала на частотные свойства логарифмического усилителя. Ваши выводы запишите в отчет. Контрольные вопросы 1. Какие усилительные каскады называют логарифмическими? Нарисуйте схему логарифмического каскада. 2. Дайте характеристику основных свойств логарифмического каскада. 3. Назовите возможные варианты применения логарифмических усилителей. 4. Дайте характеристику логарифмическому усилителю на р-п-переходе. 5. Дайте характеристику логарифмическому усилителю на дифференциальном каскаде. 6. Дайте характеристику логарифмическому усилителю с суммированием усиленных и ограниченных сигналов. 7. Дайте характеристику основных свойств операционного усилителя, используемого в схеме логарифмического усилителя.

55

Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СОПРЯЖЕНИЯ РАДИОАППАРАТУРЫ Цель работы Ознакомление с работой оптоэлектронных приборов, исследование статических характеристик оптических излучателей и фотоэлектрических приемников излучения и динамических характеристик оптопар. Краткие сведения Большие возможности в создании сложных автоматизированных радиоэлектронных систем открылись после освоения промышленностью производства оптоэлектронных пар. В оптопарах полностью отсутствует электрическая (гальваническая) и магнитная связь между источником и приемником информации. При этом полностью исключаются паразитные каналы передачи информации через собственные емкости, магнитное поле рассеяния и т.п. Недостаток оптопары — малый коэффициент передачи, — легко компенсируется за счет применения малогабаритных и экономичных электронных усилителей. Оптоэлектроника —это раздел науки и техники, в котором изучаются и используются явления генерации, обработки, запоминания и хранения информации на основе совместного применения электрических и оптических процессов. Элементная база оптоэлектроники включает в себя: — оптоизлучатели —преобразователи электрической энергии в световую; — фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники —преобразователи световой энергии в электрическую; — световоды —оптическая среда распространения сигнала — прозрачный компаунд на основе полимеров или особых стекол. Оптоэлектронные приборы нашли широкое применение в радиоэлектронике, в том числе и судовой. Так, например, оптопары устанавливаются во входных и управляющих цепях уст56

ройств, входящих в сложные радиотехнические комплексы, для защиты от действия опасных напряжений, которые могут поступить на прибор при нарушении внешних подключений. Фотодиоды используются в устройствах автоматического регулирования освещенности, светодиоды применяются для создания индикаторов в системах. Оптоэлектронные приборы хорошо сопрягаются с микроэлектронными устройствами, что выгодно отличают их от развязывающих цепей на трансформаторах и конденсаторах. Кроме того, оптроны сохраняют свои параметры в диапазоне частот от постоянного тока до десятков и даже сотен мегагерц, что очень важно при создании сложных информационных систем. Световоды на основе волоконной оптики позволяют передавать на большие расстояния информацию и сигналы управления практически без потерь, причем пропускная способность оптических каналов во много раз выше, чем кабельных линий передачи. Рассмотрим кратко принцип работы основных элементов оптоэлектронной техники. В качестве преобразователя электрической энергии в энергию некогерентного излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра используются миниатюрные лампы накаливания, электролюминисцентные элементы и, особенно, инжекционные светодиоды. Светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор, излучающий энергию в оптическом диапазоне спектра, возникшую в результате рекомбинации электронов и дырок. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры. Процесс самопроизвольной рекомбинации инжектированных неосновных носителей заряда, происходящий как в базовой области, так и в самом p-n-переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня проводимости на более низкий в зону валентности, при этом избыточная энергия выделяется путем излучения кванта света. Чтобы кванты энергии — фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (более 1,8 эВ). 57

Добавление в полупроводниковый материал атомов веществ — активаторов — позволяет изменять в некоторых пределах цвет излучения диода, что очень важно при подборе материалов для оптронов. Рекомбинация электронов и дырок. происходящая в полупроводниковой p-n-структуре, необязательно связана с излучением фотона. Значительная часть актов рекомбинации заканчивается выделением энергии в виде элементарных квантов тепловых колебаний кристаллической решетки (фононов). В современных светоизлучающих диодов только несколько процентов электрической энергии преобразуется в световую. Характеристикой диода как источника света является зависимость яркости от прямого тока — яркостная характеристика, или зависимость силы света от прямого тока — световая характеристика. При малых токах и, соответственно, малых напряжениях на светоизлучающем диоде процесс излучения протекает неактивно, поэтому начальный участок световой (яркостной) характеристики нелинейный. При больших (более 5 мА) токах указанные характеристики почти линейны. Вольтамперная характеристика светоизлучающего диода аналогична ВАХ выпрямительного диода. Но поскольку для изготовления светодиодов используются материалы с большой шириной запрещенной зоны, их ВАХ сдвинуты вправо. Нижний предел рабочего напряжения светодиодов составляет 2,5…3,5 В, верхний предел напряжения определяется допустимой мощностью рассеяния прибора. Основные параметры диодов сильно зависят от окружающей температуры. С увеличением температуры сила света, а также падение напряжения на диоде уменьшаются. Светоизлучающие диоды имеют сравнительно большой разброс параметров и характеристик от образца к образцу. В справочниках приводятся, как правило, крайние значения параметров, являющиеся критерием их годности при производстве. В качестве примера на рис.6.1 приведены основные характеристики светодиода типа АЛ307.

58

Рис. 6.1 Фотоэлектрический приемник излучения — фоточувствительный полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводнике. К числу фотоприемников относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие приборы. При облучении p-n-перехода увеличивается ток неосновных носителей, то есть увеличивается обратный ток этого перехода. Устройство фотодиодов таково, что световой поток при освещении прибора направлен перпендикулярно плоскости перехода. Поглощение фотона приводит к выходу носителей заряда из валентной зоны в зону проводимости и их движению под действием потенциального барьера p-n-перехода. При включении диода в цепь в последней появляется небольшой ток даже при отсутствии внешнего источника тока. Такой режим фотодиода получил название генераторного. В этом режиме образуется фото-ЭДС, предельно возможная величина которой равна контактной разности потенциалов, которая составляет десятые доли вольта. Величина фото-ЭДС связана с величиной светового потока логарифмической зависимостью. При больших световых потоках наступает насыщение, и рост фото-ЭДС прекращается. Фотодиоды в генераторном режиме часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую энергию. Теоретически достижимый 59

КПД солнечных батарей составляет около 30%, с одного квадратного метра солнечных фотоэлементов в настоящее время получают до 60 Вт электрической мощности. В радиоэлектронных устройствах шире применяется преобразовательный режим фотодиодов. Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, величину и полярность которого можно изменять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь вид, как у выпрямительного диода. При освещении фотодиода ток неосновных носителей существенно изменяет только обратную ветвь ВАХ, так как фототок на несколько порядков меньше прямого тока p-n-перехода. На рис.6.2 приведены типовые ВАХ фотодиода. Часть семейства характеристик, расположенная в 1V квадрате, соответствует генераторному режиму фотодиода, в III квадранте — преобразовательному. Спектральные характеристики фотодиодов зависят от материалов, используемых для их изготовления. Фотодиоды имеют высокое быстродействие, но их параметры сильно зависят от температуры прибора. В частности, темновой ток возрастает почти вдвое при повышении Рис. 6.2 температуры на 10о С. Лавинные фотодиоды используют явление электрического пробоя p-n-перехода за счет ударной ионизации атомов полупроводника фотонами в сильном электрическом поле, созданном внешним источником. Чувствительность лавинных фотодиодов больше обычных в 102…106 раз. Лавинные фотодиоды широко используют в релейных устройствах автоматики для счета световых импульсов и обнаружения слабых световых сигналов. В фототранзисторах и фототиристорах используется эффект усиления фототока управляющего электрода, как и в обычном транзисторе и тиристоре. Оптопарой называется оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного эле60

ментов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция. В резисторной оптопаре в качестве фотоприемного элемента используется фоторезистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого уменьшается при воздействии фотонов. Излучателем может служить светоизлучающий диод или сверхминиатюрная лампочка накаливания. Резисторные оптопары применяются в устройствах автоматического регулирования усиления (АРУ) электронных усилителей. В диодной оптопаре в качестве фотоприемника используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. В генераторном режиме на выходе оптопары появляется фото-ЭДС величиной до 0,7 …0,8 В. Если к фотодиоду оптопары приложено обратное напряжение более 0,5 В, то прибор будет работать в преобразовательном режиме. Диодные оптопары как в генераторном, так и преобразовательном режимах широко применяются в радиоэлектронных автоматизированных устройствах, требующих высокой электрической развязки между элементами, а также в быстродействующих коммутаторах информационно-измерительных систем. Описание лабораторной установки Схема для исследований представлена на рис.6.3.

Рис. 6.3. В работе исследуется оптоэлектронная интегральная микросхема К293ЛП1А, в состав которой входит диодная оптопара, операционный усилитель и логическое устройство. Работа выполняется на лабораторном стенде К32, для сбор61

ки измерительной цепи используется монтажная плата УС11. Конденсатор С является разделительным, обеспечивая независимость изменения постоянного напряжения смещения и уровня испытательного сигнала. По падению напряжения на резисторе R оценивается величина тока светодиода. Для исследования статических характеристик оптоэлектронного преобразователя применяется источник питания лабораторного стенда ГН1. При исследовании динамических характеристик элементов дополнительно используется: генератор испытательных сигналов Г3-120, генератор стандартных сигналов Г4-18, цифровой вольтметр В7-38 и осциллограф С1-112. Рабочее задание 1. Собрать лабораторную установку согласно рис.6.3, проверить ее работоспособность. 2. Выполнить измерения, необходимые для построения вольт-амперной характеристики светодиода. Напряжение постоянного тока на светодиоде изменять с помощью регулятора блока питания БП-15, напряжение источника питания определять по встроенному прибору, напряжение на светодиоде Uвх – с помощью вольтметра В7-38, ток светодиода – по падению напряжения на резисторе R. Результаты измерений занести в табл. 6.1. и представить графически прямую ветвь ВАХ. Таблица 6.1 IF, мА UXS5, В UXS4, В Ток светодиода определяется как IF = (UXS4 —UXS5)/R , где R = 1 кОм. 3. Выполнить измерения, необходимые для построения статической характеристики оптрона. Напряжение постоянного тока на светодиоде изменять с помощью регулятора блока питания 62

БП15. Результаты измерений представить в виде табл. 6.2 и графика. Таблица 6.2 UXS5, В UXS1, В По построенной статической характеристике диодной оптопары определить передаточный коэффициент оптопары и динамический диапазон входных сигналов. Определить протяженность и середину линейного участка статической характеристики. 4. Собрать установку для исследования динамических характеристик оптопары согласно схеме, представленной на рис.6.3, подключив генератор Г 3-120 к гнездам XS8 и XS9. С помощью источника ГН1 установить режим оптоэлектронного преобразователя в середине линейного участка статической характеристики. На выходе генератора установить испытательный сигнал напряжением около 50 мВ и частотой 1 кГц. По осциллографу, подключенному к гнезду XS1, отрегулировать лабораторную установку, добившись неискаженной передачи синусоидального напряжения через оптоэлектронный преобразователь. 5. Выполнить измерение частотной характеристики диодной оптопары, результаты представить в виде таблицы и графика АЧХ. Таблица 6.3 F, кГц UXS1, В UXS1/UXS8 Построить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) оптопары. K = f{Uвых.оптопары/ Uвых.Г3-120}. Определить полосу пропускания диодной оптопары. 6. Провести исследование характеристики переходного процесса диодной оптопары, определить постоянную времени оптопары при передаче положительного и отрицательного фронтов 63

прямоугольного импульсов. 7. Записать в отчет выводы по результатам работы. Методические указания Для оценки переходных процессов от генератора испытательных сигналов на вход эмиттерного повторителя подавать с генератора Г3-120 сигналы прямоугольной формы, подобрав частоту их повторения такой, чтобы по осциллограмме было легко оценить постоянные времени оптопар. Если длительность импульсов испытательного сигнала t будет значительно меньше постоянной времени переходного процесса Т (частота повторения импульсов выбрана слишком высокой), то есть τ<Т, то амплитуда импульсов будет малой, их форма — пилообразной. Оценить величину τ при передаче положительного и отрицательного фронтов. Контрольные вопросы 1. Назовите элементы, используемые в оптоэлектронике. 2. Поясните физические процессы при внешнем и внутреннем фотоэффекте. 3. Поясните принцип работы светодиода. 4. Поясните принцип работы фоторезистора. 5. Поясните принцип работы фотодиода. 7 Поясните принцип работы фототранзистора. 8. Почему фотодиоды используются только при обратном смещении или без дополнительных источников смещения? 9. Назовите преимущества и недостатки применения оптопар в судовых радиоэлектронных комплексах по сравнению с согласующими трансформаторами? 10. Нарисуйте схему фотореле и назовите его возможные применения. 11. Предложите варианты применения элементов оптоэлектроники в радиоэлектронике.

64

Лабораторная работа № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ И ТРЕХФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ Цель работы Ознакомление с эксплуатационными особенностями однофазного однополупериодного и мостовых (однофазного и трехфазного) выпрямителей, исследование формы и величины напряжений на элементах схемы, выявление признаков характерных неисправностей выпрямителей на полупроводниковых приборах. Краткие сведения Выпрямители — это устройства для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В настоящее время на судах промыслового флота применяются выпрямители мощностью от единиц ватт до десятков киловатт. Они используются для питания радиоэлектронной и гидроакустической аппаратуры, цепей автоматики, аппаратуры управления электроприводами, электрических машин постоянного тока. Обобщенная структурная схема выпрямителя приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Согласующее устройство «Т» обеспечивает получение необходимого по величине постоянного напряжения на выходе выпрямителя. В конкретных выпрямителях этот блок может и отсутствовать, если на выходе выпрямителя получается нужное напряжение постоянного тока при непосредственном включении 65

устройства в сеть переменного тока. В качестве согласующего устройства обычно используется трансформатор. Основную функцию преобразования переменного тока в постоянный осуществляет вентильный блок «В». Он состоит из полупроводниковых неуправляемых и управляемых вентилей (диодов и тиристоров), соединенных между собой по определенной схеме. Наибольшее распространение получили следующие схемы выпрямителей: — однофазная однополупериодная; — однофазная двухполупериодная; — однофазная мостовая; — трехфазная (схема В.Ф. Миткевича); — трехфазная мостовая (схема А.Н. Ларионова). На рис. 7.2,а приведена принципиальная схема однополупериодного выпрямителя. Первичная обмотка w1 трансформатора Тр подключается к сети переменного тока. Последовательно со вторичной w2 обмоткой включены полупроводниковый диод VD и нагрузка (резистор R).

Рис. 7.2 Через первичную обмотку в течение одного полупериода протекает переменный ток в направлении от точки 1 к точке 2, в течение второго полупериода – в обратном направлении, от точки 2 к точке 1. Когда в точке 3 вторичной обмотки трансформатора будет положительный потенциал относительно точки 4, через диод VD и резистор R будет протекать ток в направлении, показанном на схеме стрелкой, от «+» к «-». В следующий полупериод, когда в точке 3 вторичной обмотки будет отрицательный потенциал относительно точки 4, ток через резистор протекать не 66

будет (поскольку диод обладает односторонней проводимостью). В следующие полупериоды процесс повторится. Эпюры напряжения сети и тока и напряжения на нагрузке показаны на рис. 7.2,б. Двухполупериодное выпрямление часто осуществляется по мостовой схеме, приведенной на рис. 7.3.

Рис. 7.3

Первичная обмотка w1 трансформатора Тр включена в сеть переменного тока. В цепь вторичной обмотки w2 включены четыре диода, а к точкам 6 и 7 присоединен резистор R. Допустим, что в точке 3 вторичной обмотки в первую половину периода потенциал положительный, а в точке 4 – отрицательный. Тогда электрический ток I1 пойдет от точки 3 через узел 5, диод VD1, узел 6, резистор (в направлении, указанном стрелкой I1), узел 7 и диод VD4 , через узел 8 к точке 4 вторичной обмотки. В течение второй половины периода полярность напряжения на обмотках трансформатора изменится: в точке 3 будет отрицательный потенциал, а в точке 4 – положительный. В эту половину периода ток I2 пройдет от точки 4 через узел 8, диод VD2, узел 6, резистор (в том же направлении), узел 7, диод VD3 и через узел 5 к точке 3. В течение всего периода через нагрузку выпрямителя (резистор R) будет протекать ток в одном и том же направлении. Выходное напряжение рассмотренных выпрямителей имеет пульсирующий характер, как видно из рис. 7.3,б. В однополупериодном выпрямителе для получения выходного напряжения используется только одна полуволна входного напряжения, и ток в нагрузке имеет вид однонаправленных полу67

волн, следующих с частотой входного напряжения. В двухполупериодных выпрямителях полуволны выходного напряжения образуются из каждой полуволны входного напряжения. В промышленных установках выпрямители часто выполняются по трехфазным схемам (схемы В.Ф. Миткевича и А.Н. Ларионова). Схема мостового трехфазного выпрямителя и эпюры, поясняющие его работу, приведены на рис. 7.4.

Рис. 7.4 Как правило, для питания радиоэлектронных устройств пульсации сглаживают с помощью фильтров выпрямителей «Ф». Фильтр выпрямителя улучшает качество постоянного тока на выходе устройства. Как известно из курса «Радиотехнические цепи и сигналы», при нелинейном преобразовании сигналов на выходе устройства образуются колебания с большим числом спектральных составляющих. На выходе вентильного блока выпрямителя присутствует нулевая гармоника (постоянная составляющая тока), а также гармоники с частотой сети и кратные ей. С помощью фильтра удается существенно ослабить уровень составляющих переменного тока без значительного уменьшения нулевой гармоники. Более подробно с устройством и работой выпрямителей можно ознакомиться, например, по учебнику [3, 5, 6].

68

Описание лабораторной установки Работа выполняется на универсальном лабораторном стенде Л87-01 с использованием следующих котрольно-измерительных приборов: - осциллограф-мультиметром С1-112А; - генератор сигналов низкочастотным Г3-120; - универсальный цифровым вольтметром В7-38. При выполнении ряда работ комплект приборов может меняться. Планшет для сборки исследуемого электротехнического устройства устанавливается на лабораторном стенде и подключается к источникам питания и приборам с помощью специальных соединительных проводов и высокочастотных кабелей. Рабочее задание 1. Собрать однофазный однополупериодный выпрямитель на сменной панели №8 стенда в соответствии со схемой, представленной на рис.7.5, проверить его работоспособность по наличию пульсирующего напряжения на нагрузке. Вместо резистора R1 включить перемычку, в качестве амперметра РА можно использовать прибор АВМ1 стенда.

Рис. 7.5 2. Зарисовать с соблюдением масштаба осциллограммы напряжений на входе выпрямителя, на диоде и нагрузке. Измерить постоянную Uо и переменную U~ составляющие напряжения на нагрузке и его максимальное значение Uм, а также напряже69

Iм

Iср

Iо

Ток, мА Uобр

Uпр

U~

Uм

Uо

Uс

№п/п

Напряжение, В Схема выпрямителя

Частота f, Гц

ние сети Uс. Оценить наибольшее прямое Uпр и обратное Uобр напряжение на диоде; ток нагрузки Iо, среднее Iср и максимальное Iм значение тока через диод. Измерить частоту пульсаций тока в нагрузке f. Результаты измерений и расчетов занести в соответствующую графу табл. 7.1. Таблица 7.1.

Однофазная однополупериодная

Однофазная мостовая Трехфазная мостовая

3. Собрать однофазный мостовой выпрямитель на сменной панели №9 стенда в соответствии со схемой, представленной на рис.7.6, проверить его работоспособность по наличию пульсирующего напряжения на нагрузке. 4. Выполнить программу исследований в соответствии с п.2.

Рис. 7.6 5. Собрать трехфазный мостовой выпрямитель в соответствии со схемой рис. 7.7. 6. Выполнить программу исследований по п.2. 7. Результаты измерений по п.2, 4 и 6 сравнить и сделать выводы о возможности использования различных схем выпрямителей для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Сопоставить требования к параметрам диодов в различных 70

схемах выпрямителей.

Рис. 7.7 8. Отключить диод VD2 в схеме рис. 7.6., что эквивалентно неисправности типа «обрыв» этого диода. Зарисовать осциллограммы напряжений сети и на нагрузке. Сделать выводы о признаках неисправности однофазного мостового выпрямителя. 9. Отключить диод VD2 в схеме рис. 7.7, что эквивалентно неисправности типа «обрыв» этого диода. Зарисовать осциллограммы напряжений сети и на нагрузке. Сделать выводы о признаках неисправности трехфазного мостового выпрямителя. Методические указания При выполнении измерений напряжений на элементах выпрямителя необходимо помнить, что полный ток устройства содержит как постоянную, так и переменную (на частоте, кратной частоте сети) составляющие. Измерение напряжений на элементах схемы можно выполнять как с помощью вольтметра В7-38, так и осциллографом. Универсальный вольтметр В7-38 позволяет отдельно измерять постоянную и переменную составляющие полного напряжения на элементе цепи (переключатель рода работ находится соответственно в положении «V=»или «V~»). Осциллограф С1-112А при положении «~»переключателя рода работ позволяет оценить величину переменной составляю71

щей полного напряжения на элементе схемы, а при положении «-» — полное напряжение. Оценить постоянную составляющую полного напряжения можно по смещению средней линии развертки осциллографа при переключении рода работ с «~» на «-». Вольтметр В7-38 имеет внешний шунт для измерения токов в элементах исследуемого устройства, однако в данной работе целесообразно определять ток по падению напряжения на активных сопротивлениях (резисторах) выпрямителя. Величины сопротивлений указаны на соответствующих схемах. Контрольные вопросы 1. В каком из исследованных выпрямителей постоянная составляющая тока в нагрузке наибольшая и почему? 2. В каком из исследованных выпрямителей переменная составляющая тока в нагрузке наибольшая и почему? 3. В каком из исследованных выпрямителей частота пульсаций тока в нагрузке наибольшая и почему? 4. В каком из исследованных выпрямителей коэффициент пульсаций тока в нагрузке наибольший и почему? 5. В каком из исследованных выпрямителей требуются вентили с наименьшим допустимым обратным напряжением и почему? 6. Какие параметры диодов ограничивают мощность выпрямителей и почему? 7. Какие процессы будут развиваться в однофазном мостовом выпрямителе в случае электрического пробоя одного из вентилей? 8. Какие процессы будут развиваться в трехфазном мостовом выпрямителе в случае электрического пробоя одного из вентилей? 9. Дайте сравнительную характеристику известным Вам схемам выпрямителей. 10. Какие Вы знаете способы изменения напряжения на выходе выпрямителей?

72

Лабораторная работа № 8 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ Цель работы Ознакомление с основными схемами, работой, параметрами и характеристиками сглаживающих фильтров выпрямителей, исследование формы и величины напряжений на элементах фильтров и нагрузке, оценка коэффициента сглаживания (фильтрации) и частотных характеристик различных типов фильтров и их эксплуатационных особенностей. Краткие сведения Принцип действия фильтров заключается в накоплении электромагнитной энергии в реактивных элементах (емкостных и индуктивных) в те периоды времени, когда энергия в избытке поступает от источника питания через вентильный блок к нагрузке, с последующей отдачей накопленной энергии в нагрузку в те моменты времени, когда поток энергии от источника уменьшается. Используются в выпрямителях фильтры и без накопления энергии, но имеющие разный коэффициент передачи для постоянного тока и переменной составляющей выпрямленного тока. Одним из важнейших параметров фильтра является коэффициент сглаживания (фильтрации), который определяется как отношение коэффициента пульсации на нагрузке при отсутствии фильтра к коэффициенту пульсации при включении фильтра. Для большинства используемых фильтров в справочной литературе приводятся формулы для расчета коэффициента фильтрации Кф по известным параметрам нагрузки выпрямителя и параметрам элементов фильтра, а также формулы для расчета параметров фильтра по требованию к коэффициенту фильтрации. Более подробно с устройством и работой выпрямителей можно ознакомиться, например, по учебнику [5, 6].

73

Описание лабораторной установки Исследуемые электротехнические устройства (вентильные блоки и элементы сглаживающих фильтров) собраны на монтажной плате № 8. Выбор соответствующей схемы фильтра и его параметров обеспечивается подключением между вентильным блоком и нагрузкой необходимых элементов, как показано на рис. 8.1. На плате устанавливаются: резисторы R1 = 200 Ом, R2 = 2 кОм и 200 Ом, конденсаторы С1 и С2 = 2 мкФ и 10 мкФ, дроссель индуктивностью L = 90 мГн. Варианты исследуемых в работе схем: а) С-фильтр, б) Lфильтр; в) RC-фильтр; г) LC-фильтр.

Рис. 8.1 Рабочее задание 1. Собрать однофазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром (С1=10 мкФ) в соответствии со схемой рис.8.2.

Рис. 8.2 2.Зарисовать с соблюдением масштаба осциллограммы на74

пряжений на входе выпрямителя и нагрузке. Измерить постоянную Uо и переменную U~ составляющие напряжения на нагрузке и его максимальное значение Um. Сравнить полученные результаты с результатами лабораторной работы № 7 (исследование мостового выпрямителя без сглаживающего фильтра). Рассчитать коэффициент фильтрации. Измерения и расчеты выполнить для двух значений сопротивления нагрузки R: 200 Ом и 2000 Ом. Результаты измерений и расчетов занести в соответствующую графу табл. 8.1.

1 2 3 4 5 6 7 8

U0 U~ Um U0 U~ Um

Без С фильтра фильтром

Кпульсаций

Ксглаж.

Результаты расчетов

Емкостной, R2 = 200 Ом Емкостной, R2 = 2 кОм Индуктивный, R2 = 200 Ом Индуктивный, R2 = 2 кОм RС-фильтр, R1 = 200 Ом R2 = 200 Ом RС-фильтр, R1 = 200 Ом R2 = 2 кОм LC-фильтр, R2 = 200 Ом LC-фильтр, R2 = 2 кОм

Сделать выводы о свойствах С-фильтра и о возможностях его применения в выпрямителях радиоэлектронных устройств. 3. Заменить в лабораторной установке С-фильтр на L-фильтр (рис. 8.3). Выполнить программу исследований по п.2. 75

фильтра

Схема фильтра

№ п/п

Таблица 8.1 Напряжение, В Без фильтра С фильтром

Рис. 8.3 4. Заменить в лабораторной установке L-фильтр на RC-фильтр (С1=С2=2 мкф и С1=С2=10 мкФ).

Рис. 8.4 Выполнить программу исследований по п.2. 5. Заменить в лабораторной установке RC-фильтр на LCфильтр.

Рис. 8.5 Выполнить программу исследований по п.2. 6. Собрать однофазный мостовой выпрямитель фильтром в соответствии со схемой рис. 8.6. 76

с

RC-

Рис.8.6 7. Провести исследование частотных свойств фильтра, изменяя частоту колебаний на выходе генератора Г3-120 в соответствии с табл. 8.3. Напряжение колебаний на выходе генератора поддерживать неизменным (около 5 В). Результаты измерений и расчетов занести в табл. 8.2. Таблица 8.2. № п/п

Схема фильтра

Параметр

1

U~, без RС-фильтр, фильтра R1 = 200 Ом U~, с R2 = 2 кОм фильтром

2

U~, без L-фильтр, фильтра U~, с R2 = 2 кОм фильтром

1

U~, без С-фильтр, фильтра U~, с R2 = 2 кОм фильтром

1

U~, без LС-фильтр, фильтра U~, с R2 = 2 кОм фильтром

50

Частота, Гц 100 300 700 1000 2000 5000

10000

Кф

Кф

Кф

Кф

8. Выполнить аналогичные исследования для L-фильтра, C77

фильтра и LC-фильтра. Построить графики зависимости коэффициента фильтрации Кф от частоты для всех исследованных фильтров (на одной координатной плоскости). Сделать выводы о частотных свойствах сглаживающих фильтров и дать рекомендации о их использовании в составе выпрямителей для радиоустройств. Контрольные вопросы 1. Поясните назначение и принцип работы сглаживающих фильтров выпрямителей. 2. Поясните принцип работы емкостного сглаживающего фильтра. 3. Поясните принцип работы индуктивного сглаживающего фильтра. 4. Поясните принцип работы сглаживающего RC-фильтра. 5. Поясните принцип работы сглаживающего LC-фильтра. 6. Какие способы позволяют увеличить коэффициент фильтрации? 7. Какие фильтры называются многозвенными? Какими преимуществами они обладают? 8. Приведите пример многозвенного фильтра о опишите его работу. 9. Приведите вариант схемы П-образного сглаживающего фильтра и опишите его работу. 10. Какой из исследованных в работе № 1 выпрямителей требует сглаживающий фильтр с большим коэффициентом фильтрации и почему? 11. Какой из исследованных в работе № 1 выпрямителей требует сглаживающий фильтр с меньшим коэффициентом фильтрации и почему? 12. Фильтр какого из выпрямителей будет иметь меньшие габариты при одинаковом коэффициенте фильтрации и почему? 13. Фильтр какого из выпрямителей будет иметь самые большие габариты при одинаковом коэффициенте фильтрации и почему? 14. Дайте сравнительную характеристику известным Вам схемам сглаживающих фильтров. 78

Лабораторная работа N 9 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ Цель работы Ознакомление с принципом работы параметрического стабилизатора напряжения, оценка его эксплуатационных параметров, приобретение навыков выбора элементов стабилизатора. Краткие сведения Стабилизатором напряжения называется электротехническое устройство, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным (с заданной точностью) при значительных колебаниях напряжения питающей сети и при изменении тока (сопротивления) нагрузки. По принципу работы стабилизаторы бывают параметрического и компенсационного типа. В стабилизаторах параметрического типа используются нелинейные элементы (например, полупроводниковые или газоразрядные приборы), вольт-амперная характеристика которых имеет участок с малой зависимостью напряжения на элементе от тока через него. В настоящее время наиболее часто используются полупроводниковые опорные диоды - стабилитроны и стабисторы. Опорный диод - это полупроводниковый прибор с одним рп-переходом, в работе которого используется участок вольтамперной характеристики с очень слабо выраженной зависимостью напряжения на р-п-переходе от величины тока диода. Опорные диоды изготавливают преимущественно из кремния. Выбор кремния в качестве основного материала обусловлен главным образом малым обратным током и высокой температурной стабильностью параметров. Кремниевый стабилитрон (диод Зенера) - это полупроводниковый диод, рабочие параметры которого определяются процессами электрического пробоя р-п-перехода при его обрат79

ном смещении. В зависимости от физических процессов, приводящих к появлению рабочих участков ВАХ, стабилитроны делятся на низковольтные и высоковольтные соответственно с напряжением стабилизации менее или более 6,5 В. У диодов с низкоомной базой (низковольтных) более вероятен туннельный пробой. У диодов с высокоомной базой (сравнительно высоковольтных) пробой носит лавинный характер. При изготовлении опорных диодов образуется р-п-переход с четкими границами, обладающий повышенной стойкостью к тепловому пробою. Обратный ток кремниевых диодов мал, поэтому саморазогрев диода в предпробойной области отсутствует и переход в область пробоя получается достаточно резким. Кроме того, в самой области пробоя даже при большом токе нагрев диода не носит лавинообразного характера, так как тепловой ток и ток термогенерации остаются малыми в широком температурном диапазоне. Соответственно рабочий участок характеристики идет почти вертикально и не имеет отрицательного наклона, связанного с тепловым пробоем. Большой интерес представляет температурная зависимость стабилизированного напряжения. В этом отношении многое зависит от характера пробоя и связанной с ним величины пробивного напряжения. У диодов с туннельным пробоем (низковольтных) пробивное напряжение находится в прямой зависимости от ширины запрещенной зоны, которая уменьшается с повышением температуры. Это приводит к некоторому уменьшению напряжения на переходе, так как туннельные переходы становятся возможными при более низких напряжениях. Следовательно, у низковольтных стабилитронов температурный коэффициент напряжения (ТКН) отрицателен. У диодов с лавинным пробоем (сравнительно высоковольтных) пробивное напряжение находится в обратной зависимости от подвижности носителей. Напряжение перехода при лавинном пробое увеличивается с повышением температуры из-за сокращения средней длины свободного пробега носителей в переходе, что затрудняет их лавинное размножение. ТКН у высоковольтных стабилитронов получается положительным. 80

Напряжение электрического пробоя кремниевых стабилитронов очень мало меняется во времени, что позволяет во многих случаях использовать опорные диоды в качестве нормальных элементов и в схемах изменения (сдвига) уровня постоянного напряжения. Для исключения теплового (разрушающего) пробоя последовательно со стабилитроном рекомендуется включать токоограничивающий (или балластный) резистор. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых опорных диодов по сравнению с выпрямительными диодами имеет более крутой участок, что позволяет использовать опорные диоды в качестве стабисторов для стабилизации малых (0,5…1,5 В) напряжений. Прямое падение напряжения на р-п-переходе во всех случаях уменьшается при повышении температуры. Это свойство перехода используется в термокомпенсированных стабилитронах, имеющих два термокомпенсирующих и один рабочий р-ппереход. Напряжение стабилизации лежит у стабилитронов в интервале от 3 до 400 В, а у стабисторов не превышает 1,5 В. Стабилитроны и стабисторы для повышения напряжения стабилизации допускают последовательное включение. Для снижения влияния температуры допускается последовательное включение стабилитронов с противоположным по знаку ТКН. Вольт-амперная характеристика опорного диода приведена на рис.9.1, а основная схема параметрического стабилизатора с его использованием приведена на рис.9.2. В процессе работы ток стабилитрона изменяется в широких пределах так, что суммарный ток нагрузки и стабилитрона, проходящий через балластное сопротивление Rб, создает на нем падение напряжения, равное разности между напряжением источника питания Uп и напряжением на нагрузке Uн (напряжением стабилизации). Если при неизменном напряжении источника питания изменить сопротивление нагрузки, то изменится ток нагрузки. Одновременно с изменением тока нагрузки на такую же величину, но с противоположным знаком, произойдет изменение тока стабилитрона, ток через балластное сопротивление сохранит свое зна81

чение, а значит и падение напряжения на нем и напряжение на нагрузке сохранится.

Рис. 9.1

Рис. 9.2

При изменении напряжения источника питания Uп происходит изменение тока стабилитрона Iст и тока Iн через балластное сопротивление Rб при неизменном токе нагрузки Iн. Всё изменение напряжения источника питания с тем же знаком выделится на балластном сопротивлении, а напряжение на нагрузке сохранится. Более подробно с работой параметрического стабилизатора напряжения можно познакомиться, например, по учебнику [1, стр. 125…128]. Описание лабораторной установки Работа выполняется на универсальном лабораторном стенде К32. Дополнительно при выполнении исследований используются следующие контрольно-измерительные приборы: - осциллограф-мультиметр С1-112 А; - генератор сигналов низкочастотный Г3-120; - универсальный вольтметр В7-38. - блок питания БП-15. Заданный к исследованию параметрический стабилизатор собирается на монтажном планшете УС11, установленном на стенде К32, подключается к источникам питания БП-15 и приборам с помощью специальных соединительных проводов и высокочастотных кабелей. 82

Необходимые для сборки схемы элементы которые курсант подбирает самостоятельно. Схема для исследования приведена на рис.9.3.

Рис.9.3. Рабочее задание 1. Подключить параметрический стабилизатор к источнику питания БП-15 согласно рис.9.3. Регулятор сопротивления нагрузки R11 установить в среднее положение. Установить на выходе блока питания напряжение 12 В. Измерить напряжения на элементах схемы. Сделать выводы о работоспособности установки. 2.Оценить качество стабилизации напряжения на нагрузке параметрическим стабилизатором при изменении напряжения источника питания, для чего выполнить измерения согласно табл. 9.1. Таблица 9.1 № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Uп, В URб , B Uн , B UXS9 , B Iст, мА Iн , mA Iвх, мА 83

Примечание: токи в элементах стабилизатора определяются по законам Ома и Кирхгофа по известным из схемы сопротивлениям элементов. Полученные результаты представить графически на двух координатных плоскостях: U = f(Uп) и I = F(Uп). Выбрать на графике Uн = f(Uп ) рабочий участок и оценить коэффициент стабилизации: Кст = ΔUп / ΔUн . 3. Установить напряжение источника питания, равное 15 В. Изменяя сопротивление нагрузки от минимального до максимального (вращением резистора R11), выполнить измерения согласно табл. 9.2. Таблица 9.2 № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,9 1 1,5 1,8 2 2,5 UXS9 , B URб , B Uн , B Iст, мА Iн , mA Iвх, мА Полученные результаты представить графически на двух координатных плоскостях: U = f(Iн) и I = F(Iн). Сделать выводы о работе стабилизатора на изменяющуюся нагрузку и записать их в отчет. 4. Согласно рис.9.4 собрать установку для исследования параметрического стабилизатора, работающего в режиме сглаживающего фильтра. Установить напряжение на выходе блока питания БП-15 10 В, а на выходе генератора Г 3-120 - 1 В. Выполнить измерения переменной U∼ и постоянной Uо составляющих напряжения на нагрузке согласно табл. 9.3 Зарисовать осциллограммы напряжений на входе стабилизатора и на нагрузке на частоте генератора 50 Гц, 1 кГц и 100 кГц.

84

Рис. 9.4 № п/п f, Гц Uo , В U~ , В Кф

1

2

3

4

50

500

1000

10 000

Таблица 9.3 5 100 000

Коэффициент фильтрации определяется по отношению переменной составляющей напряжения на входе стабилизатора и на его нагрузке: Кф = Uвх~ / Uн~ . Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет. Методические указания При выполнении измерений напряжений по п.4 необходимо помнить, что полный ток устройства содержит как постоянную, так и переменную составляющие. Цифровой вольтметр В7-38 позволяет выполнять их измерения раздельно при переключении рода измеряемых величин. Можно выполнять эти измерения и с помощью осциллографа С1-112, используя "открытый" вход для измерения постоянной составляющей напряжения, а "закрытый" для измерения переменной составляющей. Осциллограммы для каждого этапа измерений целесообраз85

но располагать одну под другой, чтобы легче было оценить эффект сглаживания (фильтрации) в параметрическом стабилизаторе. Рамку и сетку экрана осциллографа на осциллограммах изображать не следует, а оси ординат проводятся на одной вертикали. Контрольные вопросы 1. Поясните принцип работы полупроводникового стабилитрона. 2. Поясните принцип работы полупроводникового стабистора. 3. Поясните принцип работы параметрического стабилизатора. 4. Какую величину называют "коэффициентом стабилизации" параметрического стабилизатора напряжения и какие факторы влияют на величину Кст ? 5. Как можно выполнить параметрический стабилизатор на определенное напряжение стабилизации? 6. Назовите и обоснуйте преимущества и недостатки параметрических стабилизаторов напряжения. 7. Как выбирается стабилитрон (стабистор) для параметрического стабилизатора напряжения? 8. Как выбирается балластное сопротивление для параметрического стабилизатора? 9. Поясните эффект подавления высокочастотной помехи в параметрическом стабилизаторе напряжения. 10. Назовите и обоснуйте способы изменения напряжения на выходе параметрического стабилизатора напряжения. 11. Какие требования предъявляются к параметрам стабилитронов в параметрических стабилизаторах напряжения? 12. Какие способы позволяют повысить температурную стабильность напряжения параметрического стабилизатора?

86

Лабораторная работа N 10 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ КОМПЕНСАЦИОННОГО ТИПА Цель работы Ознакомление с устройством и принципом работы стабилизатора напряжения компенсационного типа, оценка его технических параметров, исследование величины напряжений и токов в элементах устройства, приобретение навыков настройки стабилизатора на интегральной микросхеме. Краткие сведения Компенсационные стабилизаторы напряжения обеспечивают высокое качество стабилизации и эффективное подавление переменной составляющей входного напряжения, отличаются повышенной выходной мощностью, имеют широкий диапазон перестройки выходного напряжения. Компенсационный стабилизатор представляет собой типичную систему автоматического регулирования, в состав которой входит источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор), элемент сравнения опорного напряжения с выходным напряжением стабилизатора, усилитель рассогласования и регулирующий (силовой) транзистор. Входное напряжение (или его часть, снимаемая с резистивного делителя напряжения) сравнивается с напряжением опорного источника, в случае их отличия сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулирующий транзистор, который в зависимости от знака рассогласования изменяет ток через нагрузку, стремясь вернуть выходное напряжение к заданному уровню. В подавляющем большинстве случаев регулирование выходного напряжения и тока стабилизатора происходит с помощью транзистора, включенного последовательно с нагрузкой. Стабилизация обеспечивается только в том случае, если напряжение источника питания на несколько вольт превышает напряжение стабилизации. КПД стабилизатора зависит от соотно87

шения выходного и входного напряжения. Ввиду частого использования стабилизаторов напряжения в радиоэлектронной аппаратуре, разработана и широко применяется серия компенсационных стабилизаторов в интегральном исполнении (К142ЕН). На рис.10.1 приведена схема стабилизатора на ИМС КР142ЕН1, исследуемого в данной работе.

Рис.10.1 Источник опорного напряжения представляет собой параметрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона VD1 и полевого транзистора VT1, играющего роль балластного сопротивления. Применение транзистора вместо резистора позволяет повысить стабильность напряжения за счет большого динамического сопротивления участка "сток-исток", при этом потери энергии невелики ввиду малости его статического сопротивления. Для уменьшения нагрузки на параметрический стабилизатор он включен к элементу сравнения через эмиттерный повторитель на транзисторе VTЗ. Элемент сравнения и усилитель сигнала рассогласования представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах VT4 и VТ5 с динамической нагрузкой на полевом транзисторе VТ2. На базу транзистора VТ4 подается опорное напряжение, а на базу транзистора VТ5 - часть выходного напряжения стабилизатора с регулируемого делителя на резисторах R5 и R6. Регулирующий (силовой) элемент собран на составных транзисторах (VТ6 и VТ7), включенных по схеме Дарлингтона. Транзистор VТ9 обеспечивает защиту стабилизатора от перегрузок по току нагрузки ( и от короткого замыкания в на88

грузке). Настройка защиты выполняется резисторами R1 и R2. Конденсатор С1 способствует уменьшению шумов на выходе стабилизатора и повышению устойчивости его работы, конденсаторы С2 и С3 повышают коэффициент сглаживания (фильтрации) пульсаций, поступающих на вход стабилизатора с выпрямителя. Одновременно они защищают нагрузку стабилизатора от бросков напряжения при включении и выключении блока питания. Описание лабораторной установки В работе используется плата с исследуемым стабилизатором, источник питания БП-15, низкочастотный генератор сигналов ГЗ-120, вольтметр В7-38 и осциллограф С-112. Нагрузкой стабилизатора служат резисторы R7 и R9. Транзистор VТ10 включен на вход стабилизатора для того, чтобы при проведении экспериментов была возможность сложения напряжения источника питания с переменной составляющей от генератора ГЗ-120. Все макеты настроены на разное напряжение стабилизации, поэтому все измерения по программе экспериментов необходимо выполнять на одном рабочем месте. Рабочее задание 1. Собрать лабораторную установку согласно рис.10.2.

Рис. 10.2 Установить на блоке питания БП-15 напряжение 12 В. Убедиться в работоспособности макета. Признаком исправной работы является постоянство напряжения на выходе стабилизатора при вращении ручки сопротивления нагрузки R7 во всем диапазоне. 2. Исследовать работу стабилизатора напряжения при изме89

нении напряжения источника питания Uбп, для чего выполнить измерения согласно табл. 10.1 Таблица 10.1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 № п/п 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 Uбп, В Uвых, В Построить график зависимости выходного напряжения стабилизатора Uвых от напряжения источника питания Uбп. По графику определить напряжение стабилизации и коэффициент стабилизации. 3. Исследовать влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение стабилизатора, для чего установить на БП-15 напряжение 12 В и, вращая ручку резистора R7 от крайнего левого до крайнего правого положения, выполнить измерения для 5…6 значений сопротивления нагрузки согласно табл. 10.2. Таблица 10.2 1 2 3 4 5 6 Uвых, В (гнездо XS5) UR9, В (гнездо XS4) Iн , мА Rн , Ом Iн = UR9/ R9 = UR9/ 0,15 [мА],

Rн = Uвых/ Iн.

Сделать выводы о влиянии сопротивления нагрузки и тока нагрузки на работу стабилизатора и записать их в отчет. 4. Исследовать работу стабилизатора напряжения в режиме электронного фильтра, для чего собрать установку согласно схеме рис.10.3.

Рис. 10.3 90

Установить на блоке питания БП-15 такое напряжение, при котором напряжение на входе стабилизатора (гнездо XS3) было около 11…12 В. Включить генератор ГЗ-120 и установить на его выходе такое напряжение, чтобы переменная составляющая на гнезде XS3 была равна 1 В. Измерить постоянную и переменную составляющие напряжения на выходе стабилизатора при частоте колебаний генератора 50 Гц, 1 кГц, 10 кГц и 500 кГц. По результатам измерений сделать выводы и записать их в отчет. 5. Исследовать работу устройства защиты стабилизатора, для чего вернуться к схеме по п.1, повернуть движок потенциометра R1 на 1/8 оборота и сделать за показаниями вольтметра, включенного на выходе стабилизатора (гнездо XS5), при изменении сопротивления нагрузки. Наблюдения повторить для двух других положений движка потенциометра R1. Сделать выводы по результатам наблюдений и записать их в отчет. Контрольные вопросы 1. Поясните принцип работы компенсационного стабилизатора. 2. В каком диапазоне можно менять напряжение на выходе компенсационного стабилизатора напряжения? 3. Как выбирается стабилитрон для источника опорного напряжения компенсационного стабилизатора? 4. С какой целью в качестве регулирующего элемента используются составные транзисторы? 5. Чем можно объяснить эффект фильтрации в компенсационном стабилизаторе? 6. С какой целью на выходе стабилизатора включены два конденсатора (0,1 мкФ и 10 мкФ)? 7. Дайте сравнительный анализ стабилизаторов параметрического и компенсационного типов. 8. Поясните назначение стабилизаторов напряжения в радиоэлектронной аппаратуре. 91

9. Как можно увеличить мощность компенсационного стабилизатора? 10. Как можно увеличить коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора? Лабораторная работа N 11 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХТАКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ Цель работы Ознакомление с работой и эксплуатационными особенностями двухтактного преобразователя напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока (инвертора), исследование формы напряжений и токов в элементах устройства, способов изменения частоты на выходе преобразователя. Краткие сведения Инвертором называется устройство для преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока. В настоящее время для питания радиооборудования на судах промыслового флота применяются инверторы мощностью от единиц до сотен ватт. Более мощные (сотни киловатт) инверторы используются в установках с валогенераторами для отбора мощности от главного двигателя, а также питания мощных приводов на электрических машинах переменного тока. Маломощные инверторы выполняются, как правило, автономными (или независимыми), мощные - ведомыми судовой сетью. В работе исследуется автономный инвертор на транзисторах. Упрощенная принципиальная схема преобразователя приведена на рис.11.1.

92

Рис.11.1. Преобразователь выполнен по схеме индуктивного мультивибратора с трансформаторным выходом. Начала обмоток трансформатора Тр отмечены на схеме знаком «*». Базовые обмотки трансформатора w1 и w4 создают цепи положительной обратной связи. Начальное положительное смещение на базах транзисторов создается с помощью делителя напряжения на резисторах Rсм и Rэ. В начальный после включения питания момент транзисторы VT1 и VT2 начинают открываться, но из-за разброса параметров ток одного из транзисторов будет чуть больше, что приведет к лавинообразному процессу закрывания другого и еще более полного включения первого транзистора. За счет индуктивного характера нагрузки ток коллектора Iк открытого транзистора будет нарастать почти по линейному закону, и в какой-то момент времени он достигнет величины насыщения Iк нас. Дальнейший рост тока прекращается, э.д.с., наводимая в базовых обмотках w1 и w4 трансформатора Тр и поддерживающая первый транзистор в открытом, а второй в закрытом состоянии, резко уменьшится, что приведет к закрыванию первого транзистора. Перепад напряжения противоположной полярности из коллекторной обмотки w2 первого транзистора трансформируется в базовую обмотку w4 второго транзистора, в результате чего он откроется. Произойдет лавинообразный процесс пе93

реключения транзисторов. В дальнейшем описанный процесс периодически будет повторяться, и в выходной обмотке w5 трансформатора будет индуцироваться напряжение, близкое к прямоугольному. Рабочее задание 1. Подключить инвертор к источнику БП-30. Установить регулятор напряжения на блоке питания в крайнее левое положение, включить тумблеры "Сеть" и "Питание", установить на БП-30 напряжение 15 В. По свечению индикатора "Питание" инвертора убедиться в его работоспособности. Потенциометр "f" исследуемого преобразователя установить в крайнее левое положение. 2.Зарисовать с соблюдением масштаба осциллограммы напряжений на входе инвертора, его выходе, а также промежуточных контрольных точках устройства: напряжение между эмиттерами транзисторов “Э” и базами “Б1” и “Б2” и между эмиттером “Э” и коллектором “К1” первого транзистора. Зарисовать осциллограмму коллекторного тока транзистора, включив прибор в гнезда “Iк”. Оценить по осциллографу величины указанных напряжений. При построении осциллограмм внимательно следить за полярностью исследуемых напряжений. Осциллограф включить в режим внешней синхронизации, используя для этих целей выходное напряжение преобразователя. 3. Дать объяснение работы инвертора и записать его в отчет, обосновывая свои выводы ссылками на осциллограммы. 4. Увеличить напряжение на блоке питания БП-30 до 25 В. Повторить программу 2 пункта. Сделать выводы о влиянии напряжения источника питания на работу инвертора и записать их в отчет. 5. Выполнить программу 2 пункта для среднего и крайнего правого положения потенциометра "f" инвертора при неизменном напряжении питания. Объясните влияние сопротивления в цепи база-эмиттер на частоту переключений устройства. Выводы запишите в отчет. 94

Методические указания При выполнении измерений напряжений на элементах инвертора необходимо помнить, что полный ток устройства содержит как постоянную, так и переменную составляющие, что приводит к смещению осциллограмм на экране осциллографа. Осциллограммы следует выполнять в одном масштабе. Для каждого этапа измерений целесообразно располагать одну под другой, чтобы удобнее было оценить релаксационные процессы в преобразователе. Рамки на осциллограммах изображать не следует, а оси ординат проводятся на одной вертикали. Контрольные вопросы 1. Поясните принцип работы двухтактного преобразователя напряжения. 2. Назовите и дайте обоснование вариантам применения инверторов в радиоэлектронном оборудовании. 3. Как влияют размеры сердечника трансформатора на параметры напряжения на выходе инвертора? 4. Как влияет число витков базовой обмотки трансформатора на параметры напряжения на выходе инвертора? 5. Как влияет число витков коллекторной обмотки трансформатора на параметры напряжения на выходе инвертора? 6. Как влияет число витков выходной обмотки трансформатора на параметры напряжения на выходе инвертора? 7. Назовите и обоснуйте способы изменения частоты напряжения на выходе инвертора. 8. Назовите и обоснуйте способы изменения амплитуды напряжения на выходе инвертора. 9. Какие требования предъявляются к параметрам транзисторов в инверторах? 10. Поясните принцип работы двухтактного преобразователя напряжения на тиристорах.

95

Лабораторная работа N 12 ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Цель работы Ознакомление с устройством и принципом работы аналого-цифровых преобразователей радиосигналов, экспериментальная оценка их основных параметров и свойств, исследование АЦП двойного интегрирования на ИМС КР572ПВ2. Краткие сведения Аналого-цифровые преобразователи (преобразователи напряжения в код) предназначены для сопряжения радиотехнических устройств аналоговой обработки сигналов с цифровыми устройствами. В радиоэлектронике основными аналоговыми преобразованиями сигналов, позволяющими выполнять любую аналоговую обработку сигналов, принято считать усиление, перемножение (перенос спектра, модуляция, демодуляция), сравнение, ограничение, выпрямление и частотную фильтрацию сигналов. Любое преобразование напряжения в код основано либо на сравнении входного сигнала с эталонным (опорным) напряжением, либо на промежуточном преобразовании напряжения во временной интервал (частоту или скважность), длительность которого затем преобразуется в цифровой эквивалент информации. На основе метода сравнения аналогового сигнала с эталонным напряжением построены АЦП последовательного приближения, параллельного преобразования и их модификации. Сущность аналого-цифрового преобразования со сравнением входного сигнала с эталонным состоит в формировании сетки напряжений с уровнями, представляющими собой эквиваленты цифрового кода. Цифровое слово, соответствующее входному сигналу, образуется при совпадении напряжения сигнала с одним из уровней эталонной сетки напряжений. На промежуточном преобразовании во временной интервал 96

основаны преобразователи напряжения в частоту, интегрирующие АЦП, АЦП с пилообразным напряжением и их модификации. Аналого-цифровое преобразование с зарядом конденсатора основано на преобразовании в цифровой код периода времени, которое необходимо для заряда конденсатора до уровня входного аналогового сигнала. Более подробно об аналого-цифровых преобразователях можно прочитать, например, в [4, 7]. Описание лабораторной установки Работа выполняется на лабораторном стенде К-32. При выполнении измерений используются следующие контрольноизмерительные приборы: - генератор сигналов Г3-120; - осциллограф С1-112; - цифровой вольтметр В7-38; Макет с исследуемым устройством (плата УС18) устанавливается на стенд К-32. Макет содержит АЦП на микросхеме КР572ПВ2В. Индикация выходного кода осуществляется на четырех семисегментных индикаторах АЛС324В1. Схема макета приведена на рис.12.1. Переменный резистор R18 служит для начальной установки опорного напряжения Uоп 0 = 1 В. Входной сигнал макета поступает на гнездо "XS2" с регулируемого источника "ГН2" стенда К-32 и контролируется в процессе выполнения исследований АЦП цифровым вольтметром В7-38. При исследовании частотных свойств АЦП на гнездо "XS2" подается синусоидальный сигнал с генератора Г3-120. Выходное состояние (код) старшего разряда АЦП можно контролировать на гнезде " XS4". Расположение сегментов на семисегментном индикаторе АЛС324Б1 показано на рис.12.2.

97

Рис. 12.1.

Рис. 12.2. 98

Рабочее задание 1. Собрать лабораторную установку для исследования АЦП. Подать на вход АЦП напряжение Uвх = 1 В от источника ГН2 (контролировать величину входного напряжения с помощью вольтметра В7-38, подключив его к гнезду "XS2"). Убедиться в работоспособности макета. С помощью резистора R18 выполнить установку опорного напряжения Uоп.0 ≈ 1 В, добившись равенства показаний встроенного индикатора и цифрового вольтметра. 2. Выполнить измерения согласно табл. 12.1 и построить амплитудную характеристику АЦП, проведя необходимые расчеты. Таблица 12.1. Uвх , мВ, по В7-38 Показания индикатора Ошибка АЦП, мВ Относительная ошибка Δ, %

3. Оценить влияние уровня опорного напряжения на результаты аналого-цифрового преобразования, для чего повторить программу п.2 при изменении опорного напряжения в 1,5 и 0,5 раза. Uоп. = 1,5 Uоп. 0 Таблица 12.2 Uвх , мВ, по В7-38 Показания индикатора Ошибка АЦП, мВ Относительная ошибка Δ, %

Uоп. = 0,5 Uоп. 0

Таблица 12.3.

Uвх , мВ, по В7-38 Показания индикатора Ошибка АЦП, мВ Относительная ошибка Δ, %

Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет. 99

4. Собрать лабораторную установку для исследования динамических свойств АЦП двойного интегрирования, для чего восстановить исходный уровень опорного напряжения Uоп.0, подключить к гнезду "XS2" генератор Г3-120, а к гнезду "XS4" осциллограф С1-112. Установить на выходе генератора напряжение около 1 В. Напряжение от ГН2 установить Uвх = 1 В. Плавно изменяя частоту от 5 Гц до 10 кГц, по осциллограммам оцените изменения в работе АЦП. Ваши выводы запишите в отчет. Контрольные вопросы 1. Каково назначение АЦП в радиоэлектронных устройствах? 2. Дайте классификацию АЦП и укажите их основные характеристики. 3. Почему цифровые методы обработки радиосигналов получили широкое распространение с развитием микроэлектроники? 4. Нарисуйте схему и дайте характеристику АЦП двойного интегрирования. 5. Нарисуйте схему и дайте характеристику АЦП последовательного счета. 6. Нарисуйте схему и дайте характеристику АЦП последовательного приближения. 7. Нарисуйте схему и дайте характеристику АЦП следящего типа. 8. Нарисуйте схему и дайте характеристику АЦП параллельного преобразования. 9. Как можно повысить быстродействие АЦП?

100

Литература 1. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1976.- 615 с. 2. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Советское радио, 1974. 3. Павлов Схемотехника аналоговых электронных устройств. 4. Арестов К.А., Яковенко В.С. Основы микроэлектроники.М.: Радио и связь, 1988. 5. Иванов М.Е., Ягодкин В.Я. Источники питания электрорадионавигационных приборов. - М.: Транспорт, 1980.- 176 с. 6. Белов В.Я., Писарев В.А. Электропитание судовых радиоустройств.- М.: Транспорт, 1988.- 168 с. 7. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991. - 376 с. 8. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. - М.: Высшая школа, 1988.- 464 с. 9. Алексеенко А.Г. и др. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах. - М.: Радио и связь, 1982.270с. 10. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы./Под ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1985. - 432 с. 11. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.- 622 с.

101