МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
До лабораторних робіт з дисципліни
“ГЕНЕРУВАННЯ ТА ФОРМУВАННЯ СИГНАЛІВ”
ЗАТВЕРДЖЕНО
кафедрою РЕП
Протокол № 3
від 11. 12. 2008
Упорядники: Посошенко В.О, Звягінцев О.Ю, Алферов М.Є.
Завідувач кафедри РЕП Чумаков В.І.
Харків 2008
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни “Генерування та формування сигналів” для студентів денної та заочної форм навчання з спеціальностей 7.090701 „Радіотехніка”, 7.090702 ”Радіоелектронні пристрої, системи та комплекси”, 7.090703 „Апаратура радіозв’язку, радіомовлення і телебачення”/ Упоряд. Посошенко В.О, Звягінцев О.Ю, Алферов М.Є – Харків: ХНУРЕ. 2008, 58 с.
Упорядники: Посошенко В.О, Звягінцев О.Ю, Алферов М.Є.
ЗМІСТ
ВСТУП .......................................................................................................... 4
1 Дослідження режимів транзисторного генератора з зовнішнім
збудженням............................................................................................................. 7
2 Дослідження підсилювача потужності при роботі на широкосмугове навантаження....................................................................................…………….. 13
3 Дослідження нестабільності частоти транзисторного
автогенератора....................................................................................................... 18
4 Дослідження амплітудної модуляції транзисторних
генераторів..............................................................................................……...... 25
5 Дослідження частотної модуляції транзисторного
автогенератора за допомогою варикапу ............................................................. 32
6 Дослідження імпульсних модуляторів з частковим та повним
розрядом накопичувачів...................................................................................... 41
7 Дослідження автогенератора на тунельному діоді................................ 47
8 Дослідження генератора на діоді Ганна................................................. 51
Перелік посилань........................................................................................ 56
Додаток А. Програма обчислення нестабільності частоти
автогенератора ………………………………………………………………..... 57
Додаток Б. До розрахунку коефіцієнта корисної дії (К.К.Д.) у
різних режимах роботи генератора………………………………………......... 59
Додаток В. Коефіцієнти Берга ………………………………………...... 62
Додаток Г. Визначення параметрів генераторних ламп
за статичними характеристиками ………………………………………...….. 66
Додаток Д. Перелік скорочень слів і їх російських аналогів …….... .. 68
.
ВСТУП
Мета проведення лабораторних занять з курсу “Генерування та формування сигналів “ , “Проектування генераторів лікувальних медичних систем” - поглиблення та закріплення теоретичного матеріалу шляхом проведення експериментального дослідження основних схем, режимів та характеристик генераторів і пристроїв формування радіосигналів різних діапазонів хвиль, надання студентам практичних навичок при виконанні індивідуальної дослідницької роботи і особливо, під час планування експериментів. Навчити студентів використовувати вимірювальну техніку, вірно оцінювати результати експерименту, порівнюючи їх з теоретичними основами явищ та процесів.
Використання обчислювальної техніки для аналізу роботи схем генераторів дозволяє поглибити знання з вище вказаних курсів, а також освоїти сучасні методи розрахунку та моделювання роботи різноманітних схем, використовуючи відомі програми “MathCad PLUS 7.0 PRO”, “DesignLab 8.0”, “Electronics WorkBench 5.12”, ”Micro-Cap V”.
В результаті проведення лабораторних занять студент повинен вивчити:
принципи побудови схем генераторів з зовнішнім збудженням, визначати оптимальні за потужністю та навантаженням режими роботи, засвоїти процеси регулювання схем, та їх моделювання на ПК;
методи дослідження на ЕОМ статистичних характеристик стабільності частоти кварцових та параметричних автогенераторів (АГ); вміло визначати головні показники – математичне очікування, спектральну щільність, кореляційну функцію, дисперсію; знаходити головні дестабілізуючи фактори детермінованого та випадкового характеру;
принципи генерування; вміти проаналізувати усталений режим АГ на різних активних елементах (дво-, триполюсних) у діапазоні ВЧ та НВЧ;
режими модуляції, нелінійні спотворення при модуляції, методи формування імпульсних сигналів в модуляторах з повним та частковим розрядами накопичувачів;
методи вимірювання основних параметрів передавачів, таких як, потужність, стабільність, девіація частоти та їх структурні схеми.
Підготовка до лабораторної роботи включає:
вивчення та поглиблення аналізу теоретичного матеріалу, ознайомлення з метою, задачами роботи та її змістом;
ознайомлення з описом лабораторної установки і можливостями проведення експерименту, з завданням до експериментальної частини роботи;
виконання розрахунків і методики здійснення експерименту згідно з індивідуальним завданням;
аналізу функціональної схеми пристрою, який досліджується, і побудови епюр напруг у характерних точках схеми;
підготовки бланка звіту відповідно до ДСТУ-3008-95, де вказується мета роботи, структурна схема проведення експерименту, перелік вимірювальних приладів з вказанням їх типів та заводськими номерами, функціональною та принциповою схемами пристрою що досліджується, побудови графіків та таблиць епюр напруг, результатів моделювання на ПК в роздрукованому виді;
відповіді на контрольні запитання до роботи.
До лабораторної роботи допускаються студенти, які пройшли контрольне опитування.
Студенти виконують роботи самостійно, згідно з завданням викладача.
Робота вважається виконаною, якщо протокол випробувань підписаний викладачем, після чого знеструмлюється робоче місце. Протокол випробувань та допоміжні розрахунки елементів схем за всіма роботами зберігаються до закінчення лабораторних робіт.
Звіт до лабораторної роботи повинен бути оформлений відповідно до ДСТУ –3008-95, де повинні бути узгоджені вище вказані данні з результатами експерименту та висновками по роботі. Рекомендується також фіксувати висновки по кожному пункту досліджень.
Залік з роботи приймається у студента при наявності оформленого звіту. Зміст його визначається переліком контрольних запитань до роботи, які направлені на засвоєння математичних і фізичних основ побудови, дії пристрою, що досліджується і вміння пояснити одержані експериментальні результати.
Для виключення можливості ураження електричним струмом під час проведення лабораторних робіт та забезпечення зберігання приладів і обладнання необхідно ознайомитися з правилами безпеки життєдіяльності:
до лабораторних робіт можуть бути допущені студенти, які пройшли інструктаж з техніки безпеки, про що робиться відповідна помітка в журналі обліку проходження лабораторних робіт;
перед виконанням роботи кожен студент повинен ознайомитись з правилами експлуатації всього наявного на робочому місці обладнання;
перед складанням схеми переконатись в надійному підключенню корпусів всіх приладів і макета до шини заземлення;
зібрану схему можна вмикати тільки після її перевірки лаборантом, або інженером по учбовому процесу;
при виявленні оголених проводів, або інших пошкоджень апаратури студент повинен вимкнути обладнання і доповісти про це викладачеві або лаборанту;
у випадку ураження людини електричним струмом негайно вимкнути напругу живлення робочого місця, потерпілому надати необхідну допомогу, а при тяжких випадках – викликати лікаря;
при виникненні пожежі вимкнути електроживлення робочого місця і загасити вогонь вогнегасником або піском;
під час виконання лабораторних робіт не дозволяється гучно розмовляти та займатися сторонніми справами.
1 ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА
З ЗОВНІШНІМ ЗБУДЖЕННЯМ
1.1 Мета роботи
Мета роботи - вивчення схеми та побудови транзисторного генератора з зовнішнім збудженням ( ГЗЗ) ; освоєння настроювання ГЗЗ на задану потужність у навантаженні ; перевірка на практиці вірогідності та точності методики інженерного розрахунку критичного режиму роботи ГЗЗ ; експериментальне дослідження залежності струмів, напруг та енергетичних характеристик ГЗЗ від навантаження та напруги живлення.
1.2 Методичні вказівки до організації самостійної роботи студентів
Вивчити класифікацію режимів ГЗЗ за напруженістю та залежність режимів від навантаження та напруги живлення [ 1, с. 10-49 ; 2, с. 48-66 ].
Освоїти методику інженерного розрахунку критичного режиму ГЗЗ на низьких частотах. Провести розрахунок згідно з вихідними даними, які вказані викладачем.
Підготуватися до виконання індивідуального завдання.
1.3 Опис лабораторної установки
Макет для лабораторної роботи являє собою стенд з нахиленою панеллю, на якій змонтовано генератор на двох перемикаємих транзисторах (високочастотному та низькочастотному ) та прилади для вимірів постійної та змінної складової струмів кола колектора та бази транзистора.
Генератор збудовано за схемою з загальним емітером, послідовним живленням кола колектора та паралельним живленням кола бази. Напруга збудження підводиться до макету від стандартного генератору низької частоти.
У коло колектору та бази включені резистори R1 та R2 для спостереження на осцилографі форми імпульсів струму колектора та бази транзистора. Електрична принципова схема макету за рисунком 1.1
Рисунок 1.1 – Принципова схема генератору
На панелі макету є клеми, які призначені для підключення джерел живлення, вольтметрів та осцилографу, для визначення змінної напругу на контурі Uконт, на колекторі Uкол, на базі Uб та форми струму колектора та бази, а також перемикач, який змінює навантаження транзистора. На макеті може бути досліджений режим роботи транзистора на низькій частоті, де інерційні властивості вхідного кола транзистора не впливають на форму імпульсів струму, а також режим транзистора на частотах, де інерційні властивості його вхідного кола помітно проявляються. Це здійснюється підключенням у схему транзисторів, які призначені для роботи на різних частотах. Частоти вхідного сигналу та настройка коливної системи при цьому залишаються незмінними.
1.4 Порядок виконання роботи
1.4.1 Ознайомитися з описом лабораторної установки, її конструкцією та електричною схемою генератору що досліджується.
1.4.2 Встановити критичний режим роботи генератора згідно з підготовленим розрахунком.
1.4.3 Дослідити залежність режиму генератора від навантаження та напруги живлення, для чого зняти залежності Iк, Іко, Ібо, Uкол від Екол, Еб, Uб та Rн, змінюючи ці параметри в сторону збільшення та зменшення від значень у критичному режимі.
1.4.4 Побудувати графіки одержаних залежностей. На основі цих даних побудувати також графіки залежності потужності першої гармоніки колекторного струму Р1, підведеної потужності Ро та ККД від Ек, Еб, Uб та Rн. Проаналізувати одержані графіки та зробити висновки про доцільність вибору того чи іншого режиму роботи генератора відповідно до його призначення.
1.4.5 Виконати індивідуальне завдання.
Індивідуальні завдання
1. Одержати на екрані осцилографа динамічну характеристику генератора в недонапруженому, критичному та перенапруженому режимах. Замалювати її форму. Пояснити причину зміни характеристики під час переходу з одного режиму в інший. Виконати моделювання на ПК.
2. Дослідити вплив інерційних властивостей базового кола транзистора на форму імпульсів колекторного та базового струмів. Пояснити механізм цього впливу та дії на характеристики генератора.
3. Визначити вплив кута відсічки “ ” на енергетичні характеристики генератора. Дати рекомендації що до вибору “ ”.
4. Дослідити можливість настроювання генератору в резонанс у недонапруженому та перенапруженому режимах. Рекомендувати методику настроювання.
5. Зняти залежність Ік від кута відсічки “ ”. Кут відсічки змінювати за допомогою зміщення на базі. Пояснити, з якою метою може бути використана ця характеристика.
6.
Зменшити частоту вхідного сигналу
удвічі. Змінити режим роботи генератора
так, щоб одержати максимальну потужність
Р
на виході подвоювача частоти. Амплітуду
імпульсу вхідного струму підтримувати
рівною амплітуді у критичному режимі
підсилювача.
Визначити
співвідношення потужностей у режимі
подвоєння частоти Р
та
у режимі підсилення Р
при однаковій амплітуді імпульсу
колекторного струму.
7.
Зменшити частоту вхідного сигналу
утричі. Змінити режим роботи генератора
так, щоб одержати максимальну потужність
Р
на виході потроювача частоти, при цьому
підтримувати амплітуду імпульсу
вихідного струму рівною амплітуді у
критичному режимі підсилювача. Визначити
зменшення потужності у режимі потроєння
частоти порівняно з режимом підсилення.
Провести моделювання на ПК.
8. Встановити перенапружений режим роботи генератора. Змінюючи частоту зовнішнього генератора відносно резонансної частоти контуру на 1%, переглянути та замалювати форми імпульсів колекторного струму. Дати пояснення змінам форми імпульсу колекторного струму та провести моделювання на ПК.
9. Встановити недостатньо перенапружений режим роботи генератора. Виміряти корисну потужність та ККД. Розстроїти частоту зовнішнього генератора на 10%. Визначити потужність та ККД генератора при роботі на розладнане навантаження. Пояснити причину таких змін.
10. Форма косинусоїдального імпульсу ГНЗ у критичному та недонапруженому режимі показана на рисунку1.2
Рисунок 1.2 – Форма косинусоїдального імпульсу ГНЗ у недонапруженому режимі роботи
Виходячи з індивідуальних числових даних, які наведено у таблиці 1.1, розрахувати корисну потужність першої гармоніки колекторного струму (Р1), потужність, яку розвиває джерело постійного струму (Р0) і К.К.Д. ГНЗ (η) за наступними формулами:
,
де Ік1
– амплітуда першої гармоніки колекторного
струму; Uк
– амплітуда
напруги на паралельному контурі.
Значення Uк=ξ·Eк, де Ек – напруга джерела живлення колекторного кола, ξ – коефіцієнт використання напруги живлення;
Р0=Ек·Iк0, де Iк0 – постійна складова колекторного струму;
,
,
де
і
– коефіцієнти
Берга, який знаходиться за наступним
співвідношенням:
,
,
де
θ
– кут відсічки колекторного струму у
радіанах;
.
Таблиця 1.1 – Варіанти розрахунку
-
№ з/п
Ек (В)
Iкm (мА)
θ (град)
1
10
0,70
50
60
2
11
0,72
52
65
3
12
0,74
54
70
4
13
0,76
56
75
5
14
0,78
58
80
6
15
0,8
60
73
7
16
0,82
62
68
8
17
0,84
64
63
9
18
0,86
66
58
10
19
0,88
68
62
11
20
0,90
70
67
12
21
0,92
72
72
13
22
0,94
74
77
14
23
0,92
80
82
15
24
0,90
78
61
16
25
0,88
76
66
17
26
0,86
74
71
18
27
0,84
72
76
19
28
0,82
70
81
20
29
0,80
68
100
21
30
0,78
66
105
22
31
0,76
64
110
23
32
0,74
62
115
24
33
0,72
60
102
25
34
0,70
58
107
26
35
0,72
56
112
27
36
0,74
54
117
28
27
0,76
52
95
29
38
0,78
50
103
30
39
0,80
48
108
1.5 Зміст звіту
Принципова електрична схема генератору що досліджується.
Результати розрахунку критичного режиму генератора, одержані під час підготовки до роботи.
Таблиці та графіки експериментально знятих залежностей, вказаних в пп. 1.4.3 та 1.4.4.
Результати вимірів вказують у таблиці. За цими результатами будують графіки знятих залежностей. Кожний графік повинен містити результати не менше семи вимірів. На графіках необхідно відмітити межу між недонапруженим та перенапруженим режимами.
Результати виконання індивідуального завдання та його аналіз з врахуванням особливостей моделювання на ПК.
Висновки.
1.6 Контрольні запитання та завдання
1. Як залежить форма імпульсу колекторного струму від напруги на колекторі Ек від Uб і від Rн ?
2. Як змінюється положення провалу імпульсу колекторного струму у перенапруженому режимі під час зміни частоти напруги збудження на 1% у бік її зменшення?
3. По якому з приладів для виміру Іко або Uк, можна точніше настроїти контур в резонанс ?
4. Який вигляд має імпульс струму колектору, якщо контур генератора дуже розладнаний ?
5. Зобразити динамічні характеристики у системі координат / ік, ек / ; пояснити, як вони залежать від зміни режиму генератора.
6. Які напруги слід подавати на пластини осцилографа для того, щоб на екрані спостерігати форму динамічних характеристик ГЗЗ при моделюванні на ПК?
7. Зобразити спрощену схему генератору що досліджено, вказати на ній вимірювальні прилади та допоміжні опори, які дозволяють спостерігати форми струмів на осцилографі під час моделюванні на ПК.
8. Що таке вхідна провідність транзистора в області великих струмів , як вона зв’язана з елементами його конструкції ?
9. Пояснити причини зменшення крутості колекторного струму транзисторів при роботі на високих частотах.
10. В чому схожість та відмінність між статичними характеристиками транзисторів та ламп ?
2 ДОСЛІДЖЕННЯ ПІДСИЛЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ
ПРИ РОБОТІ НА ШИРОКОСМУГОВЕ НАВАНТАЖЕННЯ
2.1 Мета роботи
Мета роботи – вивчення принципу роботи широкосмугових пристроїв діапазону середніх та коротких хвиль на прикладі підсилювача потужності, який виконано на потужному польовому транзисторі та визначення коефіцієнта нелінійних спотворень широкосмугового підсилювача потужності.
2.2 Методичні вказівки до організації самостійної роботи студентів
Ознайомитися з лабораторним завданням та методичними вказівками що до його виконання.
Вивчити методи розрахунків широкосмугових трансформаторів згідно з
[ 1,c.113-130].
Ознайомитись з принципом роботи і правилами користування аналізатором спектру типу С4-25.
У високочастотних каскадах радіопередавальних пристроїв використовують трансформатори для фазування, узгодження та гальванічної розв'язки кіл. В залежності від типу зв’язку між вхідними та вихідними клемами високочастотних трансформаторів їх можливо поділити на два класи: з магнітним , та з електромагнітним зв’язком. У трансформаторах першого типу до вхідних клем підключається первинна обмотка, навколо якої струмом, що проходить через обмотку, розміщену в цьому магнітному полі, індукцюється ЕРС, яка і визначає вихідну напругу.
В трансформаторах другого типу вхідний сигнал збуджує електромагнітні хвилі в відрізках лінії передачі, які ввімкнено спеціальним чином до вхідних клем трансформатора. Амплітуда сигналу на виході трансформатору залежить від лінійної комбінації електромагнітних хвиль, які пройшли через ці відрізки ліній передачі. Такі трансформатори мають назву – трансформатори типу довгої лінії.
В лабораторній роботі використовується 4 трансформатори, два з яких першого типу , а два інших другого типу. Трансформатори першого типу мають номери 1 і 2. Другого типу відповідно 3 і 4. Основна вимога під час конструюванні трансформаторів першого типу – це зменшення міжобмоткової ємності та зменшення індуктивності розсіяння. Ці вимоги успішно виконуються при конструюванні трансформаторів типу об’ємного витка, де окремі обмотки розташовані на окремих осереддях і з’єднані між собою тільки об’ємним витком, який являє собою одне ціле з кожухом трансформатора. Об’ємний виток зменшує поле розсіювання, визначаючи його тільки у невеликому об’ємі. Між обмотками, як правило, ставлять допоміжний металевий диск електрично з’єднаний з кожухом трансформатора для зменшення, до малих значень, прохідної ємності трансформатора.
Трансформатори другого типу з номерами 3 і 4 виконані безпосередньо на кільцях з магнітного матеріалу. У якості кілець використовують ферит марки 600 – 3000НМ. Довга лінія може бути виконана як у вигляді коаксиального кабелю, так і з двох скручених проводів. Ці відрізки довгих ліній мотають на осереддя у вигляді кілець з фериту. Оба трансформатора мають співвідношення за опором 1:4.
Кожний з цих чотирьох трансформаторів може бути ввімкненим до стоку польового транзистора типу КП 901А за допомогою перемикача на 4 положення - S1.
Зміну значення навантаження виконують за допомогою перемикача S2.
Величина напруги на затворі польового транзистора VT1 змінюється стрибками за допомогою перемикача S3.