- •Оглавление
- •Предисловие
- •Список принятых сокращений
- •Введение
- •1. Правила техники безопасностипри выполнении лабораторных работ
- •2. Описание лабораторных стендов
- •2.1. Лабораторный стенд «Генератор с внешним возбуждением»
- •2.2. Лабораторный стенд «Амплитудная модуляция»
- •2.3. Лабораторный стенд «Автогенератор гармонических колебаний»
- •2.4. Лабораторный стенд «Пассивный цифровой синтезатор частоты»
- •В цифровом пассивном ссч с потоками многоуровневых импульсов, функциональная схема которого представлена на рис. 7, реализован классический метод прямого цифрового синтеза сигналов.
- •2.5. Лабораторный стенд «Цифровой синтезатор частоты с фап»
- •3. Теоретические сведения и методические указания к выполнению лабораторных работ
- •3.1. Исследование транзисторного генераторас внешним возбуждением с простой схемой выхода(Лабораторная работа №1)
- •Основные теоретические сведения
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Значения емкости связи ссв1 в зависимости от положения ключа s1
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Исследование транзисторного Генераторас внешним возбуждениемсо сложной схемой выхода(Лабораторная работа №2)
- •Основные теоретические сведения
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Значения емкости связи ссв2 в зависимости от положения переключателей
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.3. Исследование базовой амплитудной модуляции(Лабораторная работа №3)
- •Основные теоретические сведения Амплитудная модуляция
- •Базовая амплитудная модуляция
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.4. Исследование коллекторнойамплитудной модуляции(Лабораторная работа №4)
- •Основные теоретические сведения
- •Коллекторная модуляция
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.5. Исследование одноконтурного автогенератора(Лабораторная работа №5)
- •Основные теоретические сведения Введение в автогенераторы
- •Условия равновесия автогенератора и стационарные состояния
- •Устойчивость баланса амплитуд и режимы самовозбуждения
- •Баланс фаз в автогенераторе и его устойчивость
- •Анализ стационарного режима автогенератора при фиксированном и автоматическом смещении
- •Типовые схемы автогенераторов
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Значения параметров цепи автоматического смещенияв зависимости от положения переключателей
- •Значения сопротивления коллекторной нагрузки (кОм)в зависимости от положения переключателей
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.6. Исследование автогенератораС кварцевой стабилизацией частоты (Лабораторная работа №6)
- •Основные теоретические сведения
- •Стабильность частот автогенераторов
- •Кварцевые резонаторы
- •Автогенераторы с кварцевыми резонаторами
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Значения сопротивления коллекторной нагрузки (кОм)в зависимости от положения переключателей
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.7. Исследование прямого метода формирования сигналов с частотной модуляцией (Лабораторная работа №7)
- •Основные теоретические сведения
- •Угловая модуляция
- •Частотная модуляция в автогенераторе на варикапе
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.8. Исследование нестабильности частоты автогенераторов (Лабораторная работа №8)
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.9. Исследование пассивного цифрового синтезатора сетки частот с потоками двухуровневых импульсов (Лабораторная работа №9)
- •Основные теоретические сведения Общий анализ методов синтеза частот
- •Двухуровневый цифровой сч
- •Пассивный цифровой сч с потоками двухуровневых импульсов
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.10. Исследование пассивного цифровогоСинтезатора сетки частотС потоками многоуровневых импульсов (Лабораторная работа №10)
- •Основные теоретические сведения
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.11. Исследование цифрового Синтезатора частоты с фазовой автоподстройкой (Лабораторная работа №11)
- •Основные теоретические сведения
- •Общие характеристики активных методов синтеза частот
- •Структура и принцип действия синтезатора частоты с фап
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •3.12. Исследование частотной модуляциив цифровОм Синтезаторе частоты с фазовой автоподстройкой (Лабораторная работа №12)
- •Основные теоретические сведения
- •Способы формирования информационного сигнала в синтезаторах
- •Используемые приборы и оборудование
- •Порядок подготовки к лабораторной работе
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3
- •424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17
Условия равновесия автогенератора и стационарные состояния
Так как амплитудные и фазовые соотношения в АГ определяются схемой питания лишь в незначительной степени, то в структурных и функциональных схемах АГ источники питания обычно не указываются. Таким образом, АГ можно представить в виде замкнутого каскадного соединения двух четырехполюсников (рис. 15).
Рис. 15. Структурная схема автогенератора с ПОС
Будем считать, что в АГ используется "идеальный" АЭ, входная и выходная проводимости которого близки к нулю. Для этого достаточно включить указанные проводимости реального АЭ в состав НКС. Тогда уравнения баланса в установившемся (стационарном) режиме можно записать в виде
uВЫХ(t)=КUuВХ(t); uОС(t)=КОСuВЫХ(t), (24)
где КU – коэффициент передачи по напряжению усилителя на основе АЭ; КОС – коэффициент передачи по напряжению НКС (коэффициент обратной связи). При замыкании обратной связи (ОС) uВХ(t)=uОС(t). Тогда выражения (24) можно привести к виду
uВЫХ(t)=КUНКСuВЫХ(t) (25)
или
uВХ(t)=КUНКСuВХ(t). (26)
Совпадение выражений (25) и (26) с точностью до функций мгновенных напряжений означает, что эти напряжения идентичны друг другу по форме, в том числе по частоте, и отличаются лишь амплитудой и взаимным временным сдвигом (для гармонических напряжений – амплитудой и начальной фазой при равенстве частот).
В случае генерирования гармонических колебаний от мгновенных значений целесообразно перейти к комплексным амплитудам. Тогда выражение для первой гармоники выходного тока АЭ имеет вид
,где – средняя крутизна АЭ по первой гармонике. Ток с такой амплитудой создает на входном сопротивлении узкополосной НКС напряжение
, С учетом комплексного коэффициента ОС это напряжение преобразуется в напряжение
.
Подстановка комплексных амплитуд и коэффициентов вместо мгновенных напряжений в выражение (25) или (26) приводит к комплексной форме записи уравнения равновесия
. (27)Это уравнение также можно представить в виде
, (28)введя комплексное управляющее сопротивление , представляющее собой параметр, характеризующий свойства линейной пассивной части АГ и имеющий размерность сопротивления.
В общем случае все сомножители, входящие в выражение (27), являются комплексными, поэтому это уравнение можно представить в виде системы двух вещественных уравнений
S1ZHKOC=1; S+H+OC=2n, n=0, 1, 2… (29)
Аналогичным образом можно поступить и в отношении выражения (28), заменив его системой уравнений
S1ZУ=1; S+У=2n, n=0, 1, 2… (30)
Системы равенств (29) и (30) носят название уравнений баланса амплитуд и фаз. Для большинства схем автогенераторов уравнение баланса фаз выполняется при п=0. Исключение составляют АГ, в которых сигнал в цепях АЭ и НКС запаздывает на один или несколько периодов, например, RC-генераторы с фазовращающими цепями.
Полученные уравнения равновесия при любой форме их записи показывают только лишь возможность существования в АГ стационарного состояния, отличного от состояния покоя, и в этом смысле их выполнение является необходимым, но не достаточным условием для длительного существования колебаний. Решение последнего вопроса может быть получено только на основе исследования устойчивости состояния равновесия.
Поскольку переменные, входящие в состав уравнений баланса амплитуд и фаз, зависят и от амплитуды, и от частоты колебаний, определение токов и напряжений в схеме АГ и частоты генерируемых им колебаний требует совместного решения систем уравнений (29) или (30). Обычно частота генерируемого сигнала близка к собственной резонансной частоте НКС, и это позволяет сначала на данной частоте определить S1, KOC и ZH, затем найти амплитуду колебаний и только потом, зная амплитуду, уточнить значение частоты.
Для упрощения анализа амплитудных соотношений будем считать, что в АГ используется безынерционный АЭ (то есть S=0), входная, выходная и проходная проводимости которого практически не зависят от uВХ и uВЫХ. С учетом этого уравнение равновесия, записанное в форме (30), можно представить как . ПосколькуS1 имеет вещественный характер, баланс фаз выполняется на частоте ω0, при которой ХУ=0, а уравнение баланса амплитуд принимает вид
S1(UВХ)RУ=1. (31)
С учетом зависимости средней крутизны по первой гармонике от амплитуды входного напряжения (напряжения ОС), амплитуда колебаний в АГ может быть найдена из уравнения (31). Сделанные выше допущения позволяют считать, что нелинейный характер уравнения баланса амплитуд определяется только нелинейной зависимостью S1=S1(UВХ). Воспользуемся графическим решением уравнения (31), представленным на рис. 16.
Рис. 16. Колебательные характеристики АЭ автогенераторов
Из выражения (31) явно следует, что амплитуда напряжения ОС в установившемся режиме будет определяться абсциссой точки пересечения кривой S1(UВХ) с прямой 1/RУ, зависящей от смещения ЕВХ. При ЕВХ-EОТС>0 и UВХ<(ЕВХ-EОТС), где EОТС – напряжение отсечки выходного тока, АЭ работает в режиме А. Его средняя крутизна по первой гармонике равна статической крутизне в выбранной рабочей точке S и при кусочно-линейной аппроксимации характеристик АЭ не зависит от UВХ. Как только UВХ превысит величину (ЕВХ-EОТС), появится отсечка в импульсе выходного тока АЭ, а средняя крутизна по первой гармонике S1=S1() начнет уменьшаться.
При ЕВХ=EОТС угол отсечки =π/2 (АЭ работает в режиме В) и в области недонапряженного режима не зависит от UВХ. Поэтому график S1(UВХ)=S/2 представляет собой горизонтальную линию.
При ЕВХ<EОТС выходной ток АЭ равен нулю, пока UВХ не превысит величины |ЕВХ-EОТС|. Равна нулю и средняя крутизна. С дальнейшим ростом UВХ появится выходной ток, угол отсечки которого начнет увеличиваться, стремясь к π/2, что будет сопровождаться ростом S1.
Резкое снижение S1 при UВХ>UВХ.ГР объясняется переходом АЭ в перенапряженный режим.
Тем или иным значениям управляющего сопротивления на рис. 16 соответствуют горизонтальные линии равной проводимости 1/RУ. В зависимости от выбранных значений RУ возможны следующие решения. Если линия проводимости не имеет точек пересечения с кривой средней крутизны, то ненулевое состояние равновесия отсутствует и возбуждение колебаний невозможно. Эта ситуация, например, имеет место при (ЕВХ-EОТС)<0 и (1/RУ)>S/2. При наличии только одной точки пересечения существует единственное состояние равновесия, что характерно для (ЕВХ-EОТС)>0 (этому условию соответствуют точки a, d и f на рис. 16), а также для некоторых вариантов при (ЕВХ-EОТС)<0 (таким условиям, например, соответствует точка е). Однако в большинстве случаев при (ЕВХ-EОТС)>0 существуют две точки пересечения линии равной проводимости и кривой крутизны (точки b и с на рис. 16), следовательно, существуют два состояния равновесия.