Основные нелинейные устройства радиотехнических цепей: Методические указания к лабораторным работам

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

Б. Н. РОМАНОВ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ ОСНОВНЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ УСТРОЙСТВА Методические указания к лабораторным работам

Ульяновск 2006

УДК 621.396.1 (076) ББК 32.841 Р 69

Рецензент директор Ульяновского Филиала ИРЭ РАН доктор техн. наук, профессор В. А. Сергеев

Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета

Романов, Б. Н. Р 69 Основные нелинейные устройства радиотехнических цепей: методические указания к лабораторным работам. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 25 c. Методические указания разработаны в соответствии с программой дисциплины «Радиотехнические цепи и сигналы». В них изложены вопросы, связанные с изучением принципов работы основных нелинейных радиотехнических устройств и исследованием спектральных преобразований в нелинейных цепях. Указания подготовлены на кафедре «Радиотехника» и предназначены для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению 2103.02.65 «Радиотехника».

УДК 621.396.1 (076) ББК 32.841

© Б. Н. Романов, 2006 © Оформление. УлГТУ, 2006

3

Содержание ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ………………………………………. ………….

4

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОГО МОДУЛЯТОРА ……………………………….

6

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРА АМ КОЛЕБАНИЙ …………………………………

10

Лабораторная работа № 2

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ……………….. 12

Лабораторная работа № 4

СТАЦИОНАРНЫЕ И НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ АВТОГЕНЕРАТОРОВ ………… 16

Приложение 1

Порядок работы и проведение измерений спектроанализатором …………………………… 20

Приложение 2

Способ измерения коэффициента модуляции … 21

Приложение 3

Варианты домашних заданий …………………... 22

1. ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 1.1. Подготовка к работе При подготовке к работе следует: - по конспектам лекций и рекомендованной литературе изучить теоретический материал, относящийся к данной лабораторной работе; - ознакомиться с описанием, выполнить расчетную часть работы и продумать ответы на контрольные вопросы; - составить краткую программу выполнения лабораторной работы, сопроводив ее графиками зависимостей, которые должны определяться экспериментально; - ознакомиться с применяемой в работе измерительной аппаратурой. 1.2. Выполнение работ в лаборатории Лабораторные работы выполняются только в часы, предусмотренные расписанием, бригадами по 2-4 человека. Выполнению работы предшествует проверка готовности студента. При этом студент должен представить все материалы, подготовленные в соответствии с п. 1.1, и ответить на вопросы преподавателя по теории предстоящей работы и методике ее выполнения. Если результаты проверки готовности будут признаны удовлетворительными, студент получает допуск к работе. В противном случае студент во время лабораторных занятий готовится к работе. Работа в лаборатории считается законченной только после просмотра и утверждения полученных результатов преподавателем. По окончании работы студент должен выключить все приборы и источники электропитания, приведя рабочее место в порядок. 1.3. Техника безопасности при проведении работ Выполнение лабораторных работ в лаборатории радиотехнических цепей и сигналов связано с использованием электрических напряжений, которые могут привести к несчастным случаям. Поэтому студенты допускаются к выполнению лабораторных работ только после инструктажа по технике безопасности. Инструктаж проводится преподавателем, и проведение инструктажа подтверждается личной подписью студента в специальном журнале. Лица, не выполняющие правила техники безопасности или допускающие их нарушение в отношении других лиц, от работы отстраняются и привлекаются к ответственности. Учебные работы в лаборатории без преподавателя или лаборанта выполнять запрещено. Включение установки производится только с разрешения преподавателя. Перед выполнением работы необходимо убедиться в надежности заземления блоков лабораторной установки и измерительной аппаратуры, проверить исправность изоляции измерительных щупов и головок.

5

Запрещается оставлять без присмотра включенные лабораторные установки, касаться руками или неизолированными предметами обнаженных проводов и деталей, находящихся под напряжением. Запрещается переключать без надобности переключатели, нажимать кнопки, вращать ручки настройки и регулировки. Запрещается загромождать рабочее место одеждой, портфелями, книгами и другими вещами, не относящимися к выполняемой работе. Запрещается ходить без дела по лаборатории и отвлекать товарищей разговорами. При обнаружении неисправности необходимо немедленно прекратить работу, выключить установку и сообщить об этом преподавателю. Если произошел несчастный случай, то необходимо немедленно: а) снять напряжение со схемы путем отключения; б) сообщить преподавателю или лаборанту; в) оказать первую медицинскую помощь пострадавшему; г) вызвать по телефону 03 скорую помощь. 1.4. Оформление отчета и зачет по работе Отчет о выполненной работе должен быть составлен индивидуально на листах писчей бумаги формата А 4. Экспериментальные графики вычерчиваются на листах миллиметровки и вклеиваются в отчет. Расчету отдельных величин должно предшествовать краткое объяснение и буквенное обозначение формул. Разрешается для снятия осциллограмм использовать цифровые фотокамеры с последующей обработкой фотографий на компьютере. Зачет по лабораторной работе студент получает только после представления отчета, в котором обязательно должны быть сделаны выводы о проделанных экспериментах.

6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОГО МОДУЛЯТОРА 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является изучение физических основ работы амплитудного модулятора и исследование спектрального состава колебаний в различных точках принципиальной электрической схемы. 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ В состав экспериментальной установки входят: генератор гармонических колебаний радиочастоты, генератор гармонических колебаний звуковой частоты, анализатор спектра (АС), осциллограф и экспериментальный макет. Структурная схема установки приведена на рис.1.1. Принципиальная электрическая схема модулятора представлена на рис. 1.2. 3. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 3.1. Изучить методику проведения лабораторной работы. 3.2. Рассчитать параметры колебательного контура модулятора, собранного на транзисторе типа КТЗ12, и спектральный состав коллекторного тока при заданных значениях напряжения рабочей точки U0эб, амплитуд несущего Um0 и модулирующего UmΩ Ω колебаний, частот несущего f0 и модулирующего F колебаний и добротности контура Q. 3.3. Рассчитать и построить амплитудный спектр выходного сигнала. 4. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 4.1. Определить спектральный состав результирующего колебания, подаваемого на базу транзистора модулятора: - подать на входы Г1 и Г2 гармонические колебания радиочастоты и звуковой частоты с амплитудой не более 0,1В соответственно; Замечание. В случае отсутствия в составе установки анализатора спектра, амплитуды колебаний устанавливаются согласно варианту домашнего задания. - определить спектральный состав колебаний, измерив амплитуды и частоты гармонических составляющих; - зарисовать форму результирующего колебания. 4.2. Определить спектральный состав выходного колебания при линейном режиме работы усилителя: - изменяя положение рабочей точки, установить линейный режим работы активного элемента, - зарисовать форму выходного колебания на не избирательной нагрузке; - измерить спектральный состав выходного колебания.

7

ГЕНЕРАТОР НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ

Г1

R1

МОДУЛЯТОР АС R3

R2

ГЕНЕРАТОР ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

ОСЦИЛЛОГРАФ Г2

Рис.1.1. Структурная схема измерений Модулятор

+ Еп

C4

L1 R1

R6

C3 R4

R7

S1

C4

C1

VT2

Г3

Г4 VT1 R8 C2 R2

R5

R3

Рис.1.2. Схема принципиальная электрическая

R9

8

4.3. Определить спектральный состав выходного колебания при нелинейном режиме работы усилителя: - установить режим работы транзистора с отсечкой; - зарисовать форму выходного колебания на не избирательной нагрузке; - измерить максимальную и минимальную амплитуду импульсов; - измерить спектральный состав выходного колебания. 4.4. Определить спектральный состав выходного колебания модулятора: - в качестве нагрузки подключить колебательный контур; - зарисовать форму выходного колебания; - измерить коэффициент модуляции при различных значениях амплитуды выходного колебания; - измерить спектральный состав выходного колебания; - изучить влияние соотношения частот несущего и управляющего колебания на эффективность модуляции. 5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет по данной лабораторной работе должен включать: - результаты расчетов домашнего задания; - результаты экспериментальных измерений; - осциллограммы колебаний при линейном и нелинейном режимах работы транзистора; - экспериментальные значения коэффициентов передачи сумматора; - экспериментальные значения коэффициентов усиления резистивного усилителя; - спектральный состав напряжения на базе транзистора, коллекторного тока и выходного АМ колебания; - выводы по результатам проведенного эксперимента. 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 6.1. Дайте определение модуляции как одного из радиотехнических процессов. 6.2. Опишите принцип работы амплитудного модулятора. 6.3. Объясните необходимость работы транзистора в режиме с отсечкой. 6.4. Как подобрать добротность контура модулятора? 6.5. Как регулировать глубину модуляции выходного колебания? 6.6. Как повысить эффективность радиосигнала с АМ? 6.7. Объясните принцип действия балансного модулятора?

9

6.8. Нарисуйте спектры колебаний в различных точках структурной схемы балансного модулятора. 6.9. Объясните принцип действия частотного модулятора. 6.10. Объясните принцип действия частотного модулятора на базе балансного модулятора. 7. РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 7.1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. по спец. «Радиотехника». – 3-е изд. – М.: Высш. шк., 2000. – С.: 291-294. 7.2. Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс: Учебное пособие. – М: Форум: Инфра-М, 2005. – С.: 281 – 291. 7.3. Романов Б.Н., Фабричнова Е.С. Исследование амплитудного модулятора: Электронное учебное пособие. – УлГТУ, 2003. – http://ofap.ulstu.ru/Radio/ Modulator.pdf

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРА АМ КОЛЕБАНИЙ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является исследование работы амплитудного детектора в различных режимах и изучение особенностей спектральных преобразований в различных узлах принципиальной электрической схемы. 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ В состав экспериментальной установки входят генератор сигналов радиочастоты (ГРЧ), генератор сигналов звуковой частоты (ГЗЧ), генератор шума (ГШ), анализатор спектра (АС), осциллограф и экспериментальный макет. Структурная схема установки приведена на рис. 2.1. 3. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 3.1. Изучить методику проведения лабораторной работы. 3.2. Рассчитать спектральный состав выходного сигнала АМ детектора, собранного на диоде (тип указывается преподавателем), работающего в квадратичном режиме при заданном значении Rн и входном сигнале U(t) = Um0×[1+ McosΩt]× ×cosω0t. 3.3. Рассчитать параметры нагрузки АМ детектора, работающего в линейном режиме, при заданных значениях амплитуды несущего колебания Um0 и амплитуды напряжения на нагрузке детектора Um вых.

10

3.4. Рассчитать входное сопротивление детектора. ДЕТЕКТОР

ГРЧ

Усилитель

НЕЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

ФНЧ

ГЗЧ

ОСЦИЛЛОГРАФ

АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

ГШ

Рис. 2.1. Структурная схема измерений 4. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 4.1. Исследовать работу АМ детектора в режиме малых амплитуд входного сигнала: - подать на детектор АМ колебание согласно варианту домашнего задания; - зарисовать форму выходного колебания при отключенном конденсаторе, т.е. при чисто активной нагрузке; - измерить амплитудный спектр выходного колебания; - зарисовать выходное колебание при включенном конденсаторе; - зарисовать и измерить параметры амплитудного спектра выходного колебания, рассчитав при этом коэффициент нелинейных колебаний. 4.2. Исследовать работу АМ детектора в режиме больших амплитуд входного сигнала: - подать на детектор АМ колебание согласно варианту домашнего задания; - снять осциллограммы выходных колебаний при отключенном конденсаторе при различных значениях нагрузки и измерить угол отсечки; - снять осциллограмму и измерить параметры выходного колебания при включенном конденсаторе; - определить спектральный состав выходного колебания; - рассчитать коэффициент нелинейных колебаний. 4.3. Исследовать прохождение случайных сигналов через АМ детектор: - подать на вход детектора случайное колебание в виде «белого» шума с заданным среднеквадратическим значением амплитуды;

11

- зарисовать спектр выходного колебания и измерить среднеквадратическое значение выходного шума. 5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет по данной лабораторной работе должен включать: - результаты расчетов домашнего задания; - результаты экспериментальных измерений; - осциллограммы колебаний при линейном и квадратичном режимах работы детектора; - экспериментальные значения коэффициента нелинейных искажений; - выводы по результатам проведенного эксперимента. 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 6.1. Дайте определение процесса детектирования как основного радиотехнического процесса. 6.2. Объясните работу АМ детектора в режиме малых амплитуд. 6.З. Объясните причины нелинейных искажений при квадратичном режиме детектирования. 6.4. Объясните работу АМ детектора в линейном режиме. 6.5. Объясните, как выбирается нагрузка детектора. 6.6. Как рассчитать входное сопротивление АМ детектора? 6.7. Объясните особенности детектирования АМ колебания с ОБП. 6.8. Объясните особенности детектирования АМ колебания с подавленной несущей. 6.9. Что называется коэффициентом детектирования? Что он характеризует? 6.10. Объясните особенности взаимодействия сигнала и помехи в АМ детекторе. 6.11. Объясните особенности прохождения случайных колебаний через АМ детектор. 6.12. Объясните принцип действия синхронного детектора. 6.13. Объясните принцип действия частотного детектора. 7.1.

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

7.1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. по спец. «Радиотехника». – 3-е изд. – М.: Высш. шк., 2000. – С.: 294 – 300, 310 – 311. 7.2. Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс: Учебное пособие. – М.: Форум: Инфра-М, 2005. – С.: 302 – 309.

12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является изучение физических основ работы усилителя в режиме с отсечкой и исследование зависимости эффективности умножения частоты от угла отсечки. 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ В состав экспериментальной установки входят: генератор гармонических колебаний радиочастоты, осциллограф и экспериментальный макет. Структурная схема установки приведена на рис.3.1. Принципиальная электрическая схема умножителя частоты представлена на рис. 3.2. Для получения необходимого коэффициента умножения в схеме усилителя в качестве коллекторной нагрузки используется параллельный колебательный контур, резонансная частота которого может дискретно изменяться. 3. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 3.1. Изучить методику проведения лабораторной работы. 3.2. Произвести кусочно-линейную аппроксимацию входной (или проходной) характеристики транзистора КТ 312. 3.3. Рассчитать напряжение рабочей точки, которое при заданной амплитуде входного воздействия Umвх обеспечит угол отсечки θ, а также амплитуды четырех первых гармоник коллекторного тока транзистора. 3.4. Рассчитать амплитуды выходного напряжения резонансного усилителя, удвоителя и утроителя частоты при вышеуказанных значениях угла отсечки и амплитуды входного воздействия, если заданы следующие величины: частота входного колебания f0вх, добротность контура резонансного усилителя Q0, индуктивности контура L1 и L2. 4. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 4.1. Определить возможность исследуемой схемы работать в режиме умножения частоты: - установить линейный режим работы усилителя; - подать на вход усилителя гармоническое колебание с амплитудой 0,1В; - в качестве коллекторной нагрузки транзистора переключателем S1 выбрать колебательный контур;

13

Блок питания Г3 Генератор радиочастоты

Г4 Осциллограф

Макет усилителя

Рис. 3.1.. Структурная схема измерений

Усилитель

+ Еп

S2 L1 R1 L2

C3

C4 C5

R4

R6

S1

C6

C1

VT2 Г4

Г3 VT1 R7 C2 R2

R5

R3

Рис.3.2. Схема принципиальная электрическая

R8

14

- определить резонансные частоты трех контуров и погрешность, с которой данная схема может быть использована как умножитель частоты; - рассчитать эквивалентное резонансное сопротивление контуров. 4.2. Исследовать работу усилителя в нелинейном режиме. Для этого: - установить амплитуду входного колебания согласно одному из вариантов домашнего задания; - переключателем S1 установить неизбирательную нагрузку транзистора; - изменяя положение рабочей точки, получить режим с отсечкой и зарисовать полученную осциллограмму; - определить эквивалентную резистивную нагрузку транзистора; - измерить амплитуды импульсов выходного тока и углы отсечки при различных значениях рабочей точки транзистора для установленного уровня входного воздействия. 4.3. Исследовать схему в режиме умножения частоты Для этого: - переключателем S1 установить избирательную нагрузку транзистора; - установить частоту входного колебания равной частоте первой гармоники; - для каждого значения угла отсечки измерить амплитуды всех трёх гармоник выходного напряжения; 4.4. Определить эквивалентные добротности контуров - зарисовать осциллограммы выходных напряжений в режиме удвоения и утроения частоты; - по полученным осциллограммам измерить неравномерность амплитуды выходных напряжений; - рассчитать добротность контуров. 5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет по данной лабораторной работе должен содержать: - результаты расчета домашнего задания; - структурную схему измерений и схему принципиальную электрическую исследуемого транзисторного умножителя частоты; - экспериментальные зависимости Um n вых = f(θ) и рассчитанные экспериментальные зависимости коэффициентов Берга от угла отсечки; - осциллограммы колебаний; - выводы по результатам анализа.

15

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 6.1. Объясните методику кусочно - линейной аппроксимации характеристик нелинейных элементов. 6.2. Объясните, как рассчитывается и как измеряется угол отсечки. 6.3. Объясните физические принципы работы умножителя частоты. Почему трудно добиться высокой кратности умножения на один каскад? 6.4. Объясните, как определяются амплитуды гармоник коллекторного тока. 6.5. Объясните, как рассчитываются коэффициенты А.И. Берга. 6.6. Объясните, как находятся оптимальные углы отсечки. 6.7. Объясните, почему и в каких случаях используются различные формулы для расчета оптимального угла отсечки. 6.8. Нарисуйте схему диодного умножителя частоты. 6.9. Объясните, как рассчитывается амплитуда импульса коллекторного тока и где этот параметр может быть использован. 6.10. Объясните, как рассчитать эквивалентную добротность колебательного контура умножителя и на что она влияет. 6.11. Объясните принцип действия диодного умножителя частоты. 6.12. Объясните, почему амплитуда выходного колебания умножителя не постоянна во времени. 6.13. Объясните, почему у умножителя частоты коэффициент умножения является числом целократным. 6.14. Объясните, как изменяется добротность колебательного контура умножителя при изменении коэффициента умножения.

7. РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 7.1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. по спец. «Радиотехника». – 3-е изд. – М.: Высш. шк., 2000. – С.: 285 - 286. 7.2. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. пособие для вузов. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1994. – С.: 226 – 227. 7.3. Романов Б.Н. Исследование усилителей сигналов: Электронное учебное пособие. – УлГТУ, 2002. – http://ofap.ulstu.ru/radio/proekt3.pdf

16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 СТАЦИОНАРНЫЕ И НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ АВТОГЕНЕРАТОРОВ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью данной лабораторной работы является исследование особенностей мягкого и жесткого режима возбуждения LC автогенератора, изучение квазилинейного метода для определения стационарной амплитуды и исследование процесса установления колебаний в автогенераторе. 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ В состав экспериментальной установки входят: генератор гармонических колебаний радиочастоты, осциллограф, экспериментальный макет и источник питания. Структурная схема установки приведена на рис.4.1 Экспериментальный макет состоит из собственно автогенератора с трансформаторной обратной связью, мультивибратора и электронного ключа, которые позволяют осуществить нестационарный режим работы автогенератора. Длительность импульсов мультивибратора и частота следования подобраны так, что переходные процессы в автогенераторе, вызванные коммутацией напряжения питания коллекторной цепи, успевают закончиться до следующей коммутации. При помощи переключателя «Режим: мягкий – жесткий» изменяем смещение на базе транзистора. На структурной схеме переключателем S1 можно отключить обратную связь для получения колебательных характеристик. Величина обратной связи изменяется при помощи поворота катушки связи относительно катушки индуктивности контура. Добротность колебательного контура изменяется при помощи переключателя «Добротность Q». Предусмотрена возможность подачи на автогенератор гармонических колебаний от внешнего источника э.д.с. на базу транзистора автогенератора. Замечание: 1. Чтобы отключить обратную связь в автогенераторе, необходимо установить на ноль деления шкалы обратной связи «М». 2. Чтобы снять экспериментальную колебательную характеристику автогенератора, необходимо отключить обратную связь и подать на базу транзистора (гнездо Г2 экспериментального макета) колебания с генератора радиочастоты.

17

Цепь ОС S1 ГРЧ

Усилитель

Осциллограф

Электронный ключ

Мультивибратор

Г2

Источник питания Рис. 4.1. Структурная схема установки для исследования автогенератора + Ек М

C6

L2 R1

R5

C3 L1

C1

C5

C2

к осциллографу Г2 VT1

C4

R2 R4 R3

Рис. 4.2. Схема автогенератора принципиальная электрическая

18

3. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 3.1. Изучить методику проведения данной лабораторной работы. 3.2. Разработать принципиальную электрическую схему установки. 3.3. Рассчитать и построить колебательные характеристики автогенератора для двух значений напряжения смещения U01 и U02 на базе транзистора КТ или ГТ при заданных параметрах колебательного контура: добротность Q, резонансная частота fрез, индуктивность L и коэффициент включения kвкл или p. 3.4. Нарисовать зависимости амплитуды стационарных колебаний от коэффициента обратной связи для мягкого и жесткого режимов возбуждения. 3.5. Рассчитать время установления колебаний в автогенераторе при коэффициенте обратной связи Кос для двух значениях сопротивления потерь контура R1 и R2 при начальной амплитуде колебаний Uнач. 4. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 4.1. Проверить условие самовозбуждения автогенератора и определить рабочую частоту колебаний. 4.2. Исследовать стационарный режим работы автогенератора. Для этого необходимо: - получить мягкий режим возбуждения и снять зависимость амплитуды стационарных колебаний от коэффициента обратной связи; - снять колебательную характеристику; - получить жесткий режим возбуждения и снять зависимость амплитуды ста ционарных колебаний от коэффициента обратной связи; - снять колебательную характеристику. 4.3. Определить коэффициент обратной связи. Для этого: - подать на колебательный контур гармоническое колебание от генератора радиочастоты с частотой автогенератора и амплитудой 1В; - измерить напряжение на базе транзистора. При этом величина напряжения на базе транзистора в вольтах будет равно коэффициенту обратной связи. 4.4. Исследовать нестационарный режим работы автогенератора. Для этого следует: - установить нестационарный режим работы автогенератора; - зарисовать осциллограммы процесса установления колебаний для различных значений коэффициента обратной связи и добротности контура; - измерить время установления колебаний.

19

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет по данной лабораторной работе должен содержать: - результаты расчетов согласно домашнего задания; - структурную схему измерений и схему принципиальную электрическую исследуемого автогенератора; - экспериментальные зависимости Um n вых = f(М) для различных режимах возбуждения исследуемого автогенератора; - экспериментальные колебательные характеристики и определенные по ним значения амплитуд стационарных колебаний; - осциллограммы колебаний нестационарного процесса и рассчитанные по ним значения времени установления колебаний; - выводы по результатам эксперимента. 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 6.1. Дайте определение автоколебательной системы. 6.2. Объясните основные положения линейной теории автогенератора. 6.3. Объясните сущность квазилинейных методов исследования генераторов. 6.4. Объясните особенности мягкого режима возбуждения автогенераторов. 6.5. Объясните особенности жесткого режима возбуждения автогенераторов. 6.6. Составьте нелинейное уравнение автогенератора. 6.7. Объясните метод решения нелинейного уравнения автогенератора и сделайте выводы по данному решению. 6.8. Объясните, как и от каких параметров зависит время установления колебаний автогенераторов. 6.9. Объясните, как в одной схеме совместить преимущества мягкого и жесткого режимов возбуждения. 6.10. Объясните способы возбуждения автогенератора с жестким режимом. 6.11. Объясните понятие «отрицательное сопротивление». 6.12. Объясните принцип действия автогенератора, построенного на базе диода. 6.13. Объясните условия самовозбуждения автогенератора. 6.14. Назовите факторы, влияющие на стабильность частоты автогенератора. 7. РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 7.1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. по спец. «Радиотехника». – 3-е изд. – М.: Высш. шк., 2000. – С.: 364 – 378. 7.2. Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс: Учебное пособие. – М: Форум: Инфра-М, 2005. – С.: 251 – 259.

20

Приложение 1 ПОРЯДОК РАБОТЫ И ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОРОМ 1.1. Устройство и работа анализатора спектра Структурная схема анализатора спектра (АС) построена по принципу супергетеродинного приемника с одним преобразованием частоты. В основе работы прибора лежит метод последовательного анализа, представленный рис. П.1. Исследуемый сигнал поступает на фильтр нижних частот (ФНЧ) через эмиттерный повторитель (ЭП) и делитель (Д), если включен вход 100 kΩ, или через делитель, если включен вход 600 Ω. ФНЧ пропускает частоты в пределах диапазона анализируемых частот от 0 до 120 кГц. После фильтра сигнал усиливается широкополосным усилителем (ШУ) и поступает на смеситель (СМ) и через усилитель (УО) на осциллограф. Контроль величины сигнала осуществляется индикатором перегрузки (ИП), стрелка которого попадает в красный сектор при достижении сигналом на входе ШУ уровня, превышающего номинальной на 42 дБ. На смеситель подаются напряжения исследуемого сигнала и гетеродина (Г). Преобразованный сигнал выделяется кварцевым фильтром, усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ) и подается на квазиквадратичный детектор (КД). Последний дает возможность измерять эффективные значения напряжений шума и синусоидальных сигналов. Для улучшения линейности смесителя и увеличения подавления сигнала гетеродина на выходе, синусоидальное напряжение гетеродина, перед тем как попасть на смеситель преобразуется формирователем (Ф) в меандр. Прибор может работать в режимах ручной и автоматической перестройки частоты. В режиме ручной перестройки отсчет величины напряжения сигнала производится по стрелочному прибору. Для осуществления измерения абсолютных уровней сигнала в приборе имеется калибра тор амплитуды (К), вырабатывающий меандр на частоте около 10 кГц. В режиме автоматической перестройки частоты на вход формирователя подается напряжение от генератора качающейся частоты ГКЧ, управляемого генератором пилообразного напряжения (ГПН) генератором развертки. Благодаря принятым мерам по линеаризации частоты генератора качающейся частоты (Д) ориентировочный отсчет частоты при качании можно производить непосредственно по экрану трубки, для чего на ней нанесены оцифрованные деления. Полосы свипирования (изменения) частоты составляют от 0,5 до 12 кГц и от 0,5 до 120 кГц. Время свипирования может принимать три значения: 6, 25 и 40 с. 1.2. Порядок измерения низкочастотного спектра ВНИМАНИЕ! Прибор предварительно заранее калибруется, поэтому , ∆Υ не трогать! ручки ← , → Для проведения измерений необходимо поставить:

21

- тумблер 100 kΩ - 600 Ω - в положение 600 Ω; - переключатель РОД РАБОТЫ - в положение РУЧН; - переключатель ДЕЛИТЕЛЬ I - в положение 30V; - тумблер 100mV - вверх; - переключатель ДЕЛИТЕЛЬ II - в положение 0; - переключатель ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ - в положение 0,1; - переключатель ПОЛОСА СВИПИРОВАНИЯ - в положение 120 кГц; - тумблер ВОЛЬТМЕТР - ВЫКЛ - в положение ВОЛЬТМЕТР. Настройтесь ручкой f kHz на определенную частоту спектра. Установите переключателями ДЕЛИТЕЛЬ I, ДЕЛИТЕЛЬ II и тумблером 100 mV необходимый для измерения предел шкалы вольтметра и производите отсчет величины эффективного значения напряжения соответствующей составляющей. Необходимо иметь в виду, что переключатель и тумблер ДЕЛИТЕЛЬ I являются аттенюатором для переключения пределов измерения вольтметра. Переключатель ДЕЛИТЕЛЬ II служит для установления стрелки вольтметра в пределах от 0 до 5 делений шкалы децибел , если отсчет уровня входных сигналов ведется в децибелах. При этом показания аттенюатора ДЕЛИТЕЛЬ II вычитаются из суммы показаний аттенюатора ДЕЛИТЕЛЬ I и вольтметра. Например, показание вольтметра 3 (A1 = -3 дБ). Аттенюатор ДЕЛИТЕЛЬ I стоит в положении 10µV/-80дБ, то есть, А2 = - 80 дБ. Аттенюатор ДЕЛИТЕЛЬ II стоит в положении 4 (A3 = - 4 дБ), уровень входного сигнала будет Авх = А1 + А2 – А3 = (-3) + (-80) – (-4) = - 79дБ К стрел. прибору

100 k Ω ЭП

СМ

КД

УПЧ

Д

Входд

Л

Ф

600 Ω Ω

ФНЧ

Г

ГКИ

ГПН

ШУ

“Х” УО

“Y”

ИП

Выход на осц.

Рис. П.1. Структурная схема анализатора спектра

22

Приложение 2 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОДУЛЯЦИИ Первый способ. Используется развёртка осциллографа, на вход которого подается АМ колебание. На экране получается изображение рис. П.2.1. Для определения коэффициента модуляции достаточно измерить величины А и В и подставить в формулу М = ( А – В )/( А + В ). Второй способ. АМ колебание подается на вертикально отклоняющие пластины, а модулирующее колебание подводится к горизонтально отклоняющим пластинам. В зависимости от соотношения фаз между огибающей радиосигнала и модулирующим колебанием, на экране осциллографа могут быть получены осциллограммы, представленные рис. П.2.2. Этот способ называется методом трапеций.

t B

A

Рис. П.2.1. Простейшее АМ колебание

В

А

В

Рис. П.2.2. Эпюры метода трапеций

А

23

Приложение 3 ВАРИАНТЫ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ 3.1. Варианты заданий работы № 1 №

U0 эб, В

Um 0, B

Um Ώ, В

f0 , кГц

F, кГц

Q

rк , Ом

1

2

3

4

5

6

7

Коэф.p 8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 1,15 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 1,15 0,85 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 0,9

0,25 0,3 0,35 0,35 0,4 0,4 0,45 0,5 0,5 0,25 0,3 0,35 0,35 0,4 0,4 0,45 0,5 0,6 0,25 0,3 0,35 0,45 0,45 0,5 0,4

0,1 0,1 0,15 0,15 0,2 0,2 0,25 0,25 0,3 0,15 0,18 0,14 0,16 0,2 0,2 0,22 0,28 0,3 0,12 0,14 0,17 0,32 0,24 0,2 0,15

90 95 100 105 110 115 120 125 130 100 105 110 115 120 125 130 100 105 110 115 120 125 130 100 105

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 3,5 4,0 4,5 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 3,5

15 18 20 23 25 27 30 32 35 28 26 24 18 16 15 22 34 36 20 23 25 27 30 32 35

12 11 10 9 8 7 6 5 4 12 11 10 9 8 7 6 5 4 12 11 12 11 10 9 8

0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 0,25 0,25 0,25 0,35 0,35 0,35 0,3 0,4 0,5 0,2

3.2. Варианты заданий работы № 2 №

Um0 кв, В

М

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4 5 6

0,2 0,15 0,25 0,3 0,15 0,2

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,8

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 3,0

95 100 105 110 112 115

390 400 440 470 500 560

1,0 1,2 1,3 1,1 1,5 1,6

0,3 0,5 0,6 1,0 0,4 0,45

F, кГц f0, кГц

Rн, Ом Um0 лин, В Um вых, В Тип детект. 8 Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать

24

Продолжение заданий работы № 2 № 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

1

2

3

4

5

6

7

0,25 0,3 0,2 0,15 0,25 0,3 0,2 0,15 0,25 0,3 0,2 0,15 0,25 0,3 0,2 0,15 0,25 0,3 0,35

0,7 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,8 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,8 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,8

2,0 5,0 6,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 3,0 5,0 6,0 4,0 3,0 2,5 5,0 4,5 3,5 3,0 6,0

95 100 105 110 112 115 95 100 105 110 112 115 95 100 105 110 112 115 112

750 820 390 400 440 470 500 560 750 820 390 400 440 470 500 560 350 400 450

1,0 1,2 1,3 1,1 1,5 1,6 1,0 1,2 1,3 1,1 1,5 1,6 1,0 1,2 1,3 1,1 1,5 1,6 1,8

0,3 0,5 0,6 1,0 0,4 0,45 0,3 0,5 0,6 1,0 0,4 0,45 0,3 0,5 0,6 1,0 0,4 0,45 0,5

8 Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать Выбрать

3.3. Варианты заданий работы № 3 №

Um вх, В

f0 вх, кГц

Q0

L1 , мкГ

L2, мкГ

Θ, град

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0,2 0,25 0,3 0,4 0,45 0,5 0,2 0,25 0,3 0,4 0,45 0,5 0,2 0,25 0,3 0,4

125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200

20 24 28 30 32 34 36 38 40 24 28 30 32 34 36 38

120 140 150 160 170 180 190 200 220 240 125 130 145 165 175 185

30 40 50 40 50 60 50 40 80 60 55 70 45 35 50 40

90 80 70 60 50 40 90 80 70 60 50 40 70 60 50 40

25

Продолжение заданий работы № 3 № 17 18 19 20 21 22 23 34 25

1

2

3

4

5

6

0,25 0,3 0,4 0,45 0,5 0,25 0,3 0,4 0,5

135 140 145 150 155 160 185 190 195

40 24 28 30 32 34 36 38 35

200 220 240 125 130 145 165 175 185

60 80 70 65 70 75 55 45 55

90 80 70 60 50 40 70 60 50

3.4. Варианты заданий работы № 4 № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

U01, B 0,7 0,75 0,8 0,85 0,8 0,55 0,6 0,65 0,6 0,65 0,32 0,28 0,28 0,32 0,2 0,85 0,8 0,55 0,6 0,65 0,6 0,65 0,32 0,28 0,28

U01, B 0.65 0.65 0.6 0.6 0.6 0,4 0,4 0,5 0,5 0,45 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0.6 0.6 0,4 0,4 0,5 0,5 0,45 0,2 0,2 0,2

L,

Q

fрез, кГц

мкГ

Кос

р

R2 /R1

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 25 30 35 40

155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 275 250 225 200 180

250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 175 185 200

0,08 0,09 0,1 0,12 0,14 0,15 0,13 0,11 0,08 0,09 0,1 0,12 0,14 0,15 0,13 0,11 0,08 0,09 0,1 0,12 0,14 0,15 0,13 0,11 0,10

0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

1,5 2,0 2,5 3,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1,8

Uнач, В КТ/ГТ 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,01 0,02 0,03 0,02 0,01

КТ312 КТ312 КТ312 КТ312 КТ312 КТ342 КТ342 КТ342 КТ342 КТ342 ГТ322 ГТ322 ГТ322 ГТ322 ГТ322 КТ312 КТ312 КТ342 КТ342 КТ342 КТ342 КТ342 ГТ322 ГТ322 ГТ322