3 Проектирование нелинейных аналоговых устройств
На выходе нелинейных аналоговых устройств, в отличие от линейных устройств, возникают новые спектральные составляющие. К нелинейным аналоговым устройствам обработки звуковых сигналов можно отнести:
генераторы сигналов различной формы,
компрессоры и экспандеры,
перемножители аналоговых сигналов,
модуляторы и демодуляторы,
коммутаторы.
3.1 LC-генератор
В LC генераторах частота генерируемых колебаний задаётся колебательным контуром, подключённым к усилителю по «трёхточечной» схеме. Для получения 3-й точки применяют трансформатор (схема Майснера), автотрансформатор (схема Хартли) или ёмкостной делитель напряжения (схема Колпитца). Генерация может возникнуть только при выполнении двух условий:
баланс фаз – фазовый сдвиг в замкнутой цепи усилитель – колебательный контур равен 0 или 2π ;
баланс амплитуд – усиление сигнала в замкнутой цепи усилитель – колебательный контур равно единице.
Задание
1). Соберите модель LC генератора с ёмкостным делителем напряжения (схема Колпитца) (Рис. 3.1). Номиналы L1, C1, C2 введите в соответствии с вариантом задания (Табл. 3.1).
Рис.
3.1. Модель схемы LC-генератора
(схема Колпитца)
Таблица 3.1
-
Вариант
задания
L1
C1
C2
1
1.0 U
20.0 N
10.0 N
2
1.0 U
40.0 N
20.0 N
3
0.5 U
20.0 N
10.0 N
4
0.5 U
40.0 N
20.0 N
5
0.3 U
20.0 N
10.0 N
6
0.3 U
40.0 N
20.0 N
2). Рассчитайте резонансную частоту колебательного LC-контура:
,
. (3.1)
3). В режиме анализа Transient:
Постройте временную характеристику сигнала U вых =f(t).
Измерьте длительность переходного процесса.
В установившемся режиме измерьте амплитуду сигнала Umax , длительность периода Т и частоту колебаний F. Сравните с расчётным значением частоты, полученным в пункте 2).
Измерьте постоянные напряжения в узлах схемы.
4). Измените величину индуктивности L1 на -20% и измерьте Т и F. Повторите эти измерения при изменении L1 на -10%, на +10% L1, на +20%. Постройте регулировочную характеристику - зависимость периода Т и частоты F от величины индуктивности L1.
5). Изменяя величину индуктивности L1, настройте генератор на частоту 1,0 МГц.
6). В режиме анализа Transient \ DSP Parameters \ Limits для сигнала U вых в установившемся режиме:
Установите число точек (Number of Points) =8;
Постройте спектральную характеристику;
Измерьте коэффициент гармоник по второй … седьмой гармоникам и общий Кг;
Результаты анализа по данному пункту представьте в виде спектральных графиков и в табличном виде.
7). Повторите измерения по пункту 6) в переходный период (при амплитуде сигнала, равной 0,7 U max).
8). Задайте для L1, C1, C2 линейные температурные коэффициенты TC1=0,0001. Измерьте частоту сигнала U вых при температурах -400, -200, 00, +200, +400, +600. Постройте графики зависимости периода и частоты сигнала U вых от температуры.
9). Задайте для L1 TC1=0,0001 и для C1, C2 TC1= -0,0001 и повторите пункт 7).
10). По всем проведенным исследованиям сделайте выводы.
11). Оформите документы «Схема электрическая принципиальная» (Э3) и «Перечень элементов» (ПЭ3).
12). Разработайте печатную плату [5].
3.2 RC-генератор
RC-генераторы строятся по схеме усилителя с положительной обратной связью (ОС). В цепи ОС включены фазосдвигающие RC-звенья. Условие возникновения генерации – баланс фаз (фазовый сдвиг в замкнутой цепи «усилительный каскад – цепь ОС» должен быть равен или кратен 2) и баланс амплитуд (затухание сигнала в цепи ОС должно компенсироваться усилением сигнала в усилительном каскаде).
Задание
1). Соберите модель схемы RC генератора с 3-звенным фильтром верхних частот (ФВЧ) в цепи ОС (Рис. 3.2). Номиналы резисторов и конденсаторов введите в соответствии с вариантом задания (Табл. 3.2).
Таблица 3.2
-
Вариант задания
R1
R2
C1
C2
C3
1
5.1 K
5.1 K
24.0 N
24.0 N
24.0 N
2
5.1 K
5.1 K
15.0 N
15.0 N
15.0 N
3
5.1 K
5.1 K
20.0 N
20.0 N
20.0 N
4
6.8 K
6.8 K
24.0 N
24.0 N
24.0 N
5
6.8 K
6.8 K
15.0 N
15.0 N
15.0 N
6
6.8 K
6.8 K
20.0 N
20.0 N
20.0 N
Рис.
3.2. Модель схемы RC
генератора с 3-звенным ФВЧ в цепи ОС
2). В режиме AC постройте АЧХ и ФЧХ фазосдвигающего звена C1- R1. Определите частоту, на которой фазовый сдвиг равен 600 (/6), и затухание звена на этой частоте. (Три таких звена дадут фазовый сдвиг /2, и если усилительный каскад также даст фазовый сдвиг /2, то будет выполнено условие баланса фаз - фазовый сдвиг в замкнутой цепи «усилительный каскад – цепь ОС» равен 2).
3). В режиме анализа Transient:
Постройте временную характеристику сигнала U вых =f(t).
Измерьте длительность переходного процесса.
В установившемся режиме измерьте амплитуду сигнала Umax , длительность периода U вых и частоту колебаний. Сравните частоту Uвых со значением частоты, полученным в пункте 2).
Измерьте постоянные напряжения в узлах схемы.
4). Установите величину ёмкости С каждого из трёх конденсаторов С1, С2, С3 С=10.0 N и измерьте частоту Uвых. Повторите эти измерения для С=15.0 N, С=20.0 N, С=25.0 N и постройте регулировочную характеристику - зависимость периода Т и частоты F от величины ёмкостей С.
5). Определите по регулировочной характеристике, при каком значении ёмкостей С частота F=1 кГц. Введите это значение ёмкостей С1, С2, С3 (ближайшее значение из ряда Е96) в модель схемы (Рис. 3.2).
6). Войдите в режим Transient и измерьте частоту сигнала Uвых .
7). В режиме анализа Transient \ DSP Parameters \ Limits для сигнала U вых в установившемся режиме:
Установите число точек (Number of Points) =8;
Постройте спектральную характеристику;
Измерьте коэффициент гармоник по второй … седьмой гармоникам и общий Кг .
8). Повторите измерения по пункту 7) в переходный период (при амплитуде сигнала, равной 0,7 Umax).
9). Задайте для R1 - R3 и для C1- C3 линейные температурные коэффициенты TC1=0.0001. Измерьте частоту сигнала U вых при температурах -400, -200, 00, +200, +400, +600. Постройте графики зависимости периода Т и частоты F сигнала Uвых от температуры.
10). Задайте для R1 - R3 TC1=0,0001 и для C1- C3 TC1= - 0,0001 и повторите п.9).
11). По проведенным исследованиям сделайте выводы.
12). Оформите документы «Схема электрическая принципиальная» (Э3) и «Перечень элементов» (ПЭ3).
13). Разработайте печатную плату [5].