32

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»

Политехнический институт

Кафедра автомобильного транспорта

«Общая электроника и электротехника»

Методические указания к лабораторным работам.

Содержание

Введение.................................................................................................................3

1 Исследование частотных характеристик электронных усилителей..............4

2 Исследование обратных связей в электронных усилителях..........................11

3 Исследование схем на операционных усилителях..........................................16

4 Исследование цифровых устройств..................................................................22

5 Применение мультиметров в измерениях …...................................................29

Список рекомендованной литературы................................................................31

Мероприятия по технике безопасности..............................................................32

Введение

Целями выполнения лабораторных работ является получение профессиональной компетенции ПК-9 (способность к участию в составе коллектива исполнителей в проведении испытаний транспортно-технологических процессов и их элементов), получение практических работы с измерительным оборудованием и закрепление теоретического материала разделов 2, 6, 7, 8, 9 и 10 Рабочей программы.

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЭЛЕКТРОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

1. Цель работы

Целью выполнения этой лабораторной работы является закрепление теоретического материала из разделов 2, 6 и 7 рабочей программы, получения практических навыков применения современного измерительного оборудования для исследования амплитудных и амплитудно-частотных характеристик электронных устройств.

2. Основные теоретические положения.

При использовании электронных усилителей для усиления слабых электрических сигналов с выхода датчиков важное значение имеет не только коэффициент усиления усилителя, но и его зависимость от частоты входного сигнала. На практике на входе электронного усилителя действует либо гармонический сигнал, изменяющий свою частоту (сигнал с датчиков частоты вращения валов привода или ДВС) либо сигналы, имеющие произвольную форму (сигналы датчиков положения, температуры, давления и т. д.) и, следовательно, имеющие большой спектр составляющих гармоник. Изменение коэффициента усиления усилителя для различных частот приведет к искажению формы усиливаемого сигнала и вызвать неправильную работу исполнительного механизма.

Источником сигнала на входе усилителя при получении его амплитудно-частотной характеристики служит измерительный генератор.

На практике для усиления переменных сигналов наибольшее распространение получили резистивно-емкостные(RC) каскады. Это объясняется тем, что они имеют простую схему, малые размеры и хорошие электрические параметры. Принципиальные схемы RC – каскадов на различных активных элементах приведены на рис. 1.

В работе исследуется RC - усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 1, б). Для этой схемы включения транзистора его выходной характеристикой будет зависимость коллекторного тока ( ) от выходного напряжения на транзисторе (U_кэ ). График этой характеристики приведен на рис. 2.

На графике можно выделить три основные области:

1. Область отсечки – область, когда коллекторный и эмиттерный p-n переходы транзистора смещены в обратном направлении. Транзистор закрыт и через коллекторный переход протекает неуправляемый тепловой ток I_kt . Напряжение U_кэ при этом практически равно напряжению питания:

Uкэ = -Eпит + RкIк обр = - Eпит ,

где Епит - напряжение питания каскада, В

Rк - сопротивление в цепи коллектора, Ом

Iк обр - обратный ток в цепи коллектора, А, Близкий к нулю.

2. Область насыщения – область левее линии критического режима. При этом в транзисторе оба p-n перехода смещены в прямом (открытом) направлении. Транзистор открыт, и через него проходит максимальный ток, ограничиваемый лишь резистором R_к (и R_э, если он имеется в схеме). На транзисторе падает минимальное напряжение U_{кэ нас} , равное долям вольта и не зависящее от входного сигнала.

3. Область активного режима – область ограничиваемая областями 1 и 2, а также допустимыми значениями I _{к max доп}, U _{кэ max доп} и P _{к max доп}.

При работе транзистора в активной области его эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный – в обратном направлениях. Величина коллекторного тока определяется входным, базовым током. Для обеспечения работы p-n-p транзистора в активном режиме необходимо обеспечить соотношения:

Uk < Uб<Uэ и Uбэ<Uкэ

Величина выходного напряжения определяется как:

, Uкэ = - Eпит + RкIк,

где Iк — ток в цепи коллектора, А.

Это уравнение прямой, называемой нагрузочной. Для ее построения на выходной характеристике достаточно определить две крайние точки с координатами:

, ;

, .

Первая точка соответствует работе транзистора в режиме отсечки, а вторая в режиме насыщения. Очевидно, что при изменении входного сигнала, т.е. i_б значение выходного тока i_к и выходного напряжения U_кэ будут определяться координатами точки пересечения нагрузочной прямой с линией семейства выходных характеристик соответствующей входному току i_б. Координаты этой точки, соответствующие заданному режиму работы транзистора при отсутствии входного сигнала (i_б~=0), называются рабочими, а точка А – рабочей точкой. При подаче на вход транзистора переменного сигнала i_б~, эта точка будет перемещаться вдоль нагрузочной прямой в соответствии с изменением тока базы i_б~. Так как активный режим ограничен областями 1 и 2, то для обеспечения большего диапазона входных токов (большего динамического диапазона усилителя , необходимо, чтобы нагрузочная прямая находилась в активной области и была бы возможно более протяженной (рис.2). Выбор положения нагрузочной прямой обеспечивает определение величин Е_пит и R_k (или R_к+R_э). Рабочая точка в статическом режиме (i_б~=0) выбирается на середине нагрузочной прямой (точка А на рис.2). Ее положение определяет значение базового тока I_бо, коллекторного тока I_ко и выходного напряжения U_кэо в статическом режиме. На входной характеристике транзистора (рис.3) по значению I_бо легко определить напряжение U_бэо, называемое напряжением смещения.

Это напряжение может быть получено из напряжения питания Е_пит (|Е_пит|>|U_бэо|) с помощью делителя напряжения R1 и R2 (рис.1).

С помощью этого делителя необходимо обеспечить напряжение на базе:

Uбэ + IкоRэ = Iдел R2 = EпитR2/(R1 + R2)

О тсюда следует назначение элементов схемы: R_к – коллекторное сопротивление, ограничивающее ток коллектора и являющееся нагрузкой транзистора. С него снимается выходной сигнал. R1 и R2 – резисторы делителя напряжения, обеспечивающие напряжение смещения. R_э – эмиттерное сопротивление, обеспечивающее температурную стабилизацию положения рабочей точки. Величина R_э может быть определена из условия:

.

Для исключения влияния отрицательной обратной связи, создаваемой R_э на усиление сигнала, R_э шунтируется по переменному току конденсатором С_э, выбираемой из условия: , где - нижняя частота полосы пропускания усилителя.

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (АЧХ) приведена на рис.4,а, а на рис.4,б приведена зависимость аргумента (ФЧХ) от частоты.

Рис 4.

Другой важной характеристикой усилителя является его амплитудная характеристика – зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды сигнала на входе усилителя. Эта характеристика снимается на средней частоте полосы пропускания усилителя ƒ₀= (ƒ_в+ƒ_н)/2, называемой квазирезонансной. На рис.5 приведены амплитудные характеристики идеального и реального усилителей.

U_{вых min}, существующее при U_вх=0 обусловлено наличием шумов усилителя, а нелинейность в области больших амплитуд обусловлена нелинейностью активного элемента и переходом его в области 1 и 2. Угол наклона линейного участка характеристики определяется коэффициентом усиления: .

Отношение называется динамическим диапазоном усилителя. В этом диапазоне нелинейные искажения минимальны и не превышают заданных значений. Очевидно, что снимать частотные характеристики усилителя следует для U_вх=U_{вх ном}=U_{вх max}/2