3.3 Опис лабораторної установки
Принципова електрична схема генератора лабораторної установки зображена на рис. 3.1. Це транзисторний автогенератор, який зібрано за схемою ємнісної триточки з загальним колектором. Кварцовий резонатор в цій схемі може робити тільки на частоті “ послідовного резонансу ” 1. Баланс фаз у цій схемі міг би бути виконаний на частотах, відмінних від 1, але баланс амплітуд на частотах, відмінних від 1, виконуватися не буде, тому що паралельно кварцовому резонатору під’єднано резистор Rк 10 rк, де rк - активне навантаження витрат кварцу. При роботі генератора на частоті = 1 Rк не впливає на роботу схеми. На частотах, відмінних від 1, опір кварцового резонатора стрімко зростає і виявляється включеним послідовно в контур, зменшуючи його еквівалентний опір Rе, чим і виключає можливість самозбудження на частотах, відмінних від 1.
При короткому замиканні кварцового резонатору схема перетворюється у звичайну ємнісну триточку. Автогенератор зібрано на транзисторі П416, змонтовано на печатній платі ; на ньому є контакти для підключення джерела живлення, цифрового частотоміру, кварцового резонатору, опору навантаження. Перестроювання коливного контуру можна здійснювати осереддям котушки L1, змінним конденсатором С1.
Номінальний режим автогенератору:
Екол = -9В ; Rн = 750 Ом.
3.4 Порядок виконання роботи
3.4.1 Зняти експериментальні числові масиви реалізації частоти автогенератора з кварцом і без кварцу та визначити статистичні характеристики флуктуації частоти шляхом обробки цих реалізацій на ЕОМ (див.додаток А).
Числові масиви реалізацій частоти знімають частотоміром наступним чином :
час відліку частотоміру встановити рівним 10 с ;
час індикації – 5 с ;
записують 36 відліків частоти.
Приклад такої реалізації для кварцового генератора наведений у
таблиці 3.1.
Таблиця 3.1
– Приклад запису реалізації частоти
генератора
Номер відліку
Значення частоти,
Гц
1
5380591.5
2
5380593.5
.
..
.
..
36
5380598.1
Примітка. В ЕОМ ввести тільки частину значень частоти, яка змінюється під час вимірів.
За результатам розрахунку на ЕОМ необхідно побудувати графіки залежності спектральної щільності від частоти, кореляційної функції від часу, середньоквадратичного відхилення частоти та перевести його у відносне середньоквадратичне відхилення частоти для порівняння з результатом, який отримано у розрахунку.
3.4.2 Виконати індивідуальне завдання.
Індивідуальні завдання
1. Описати механізм впливу температури на частоту генератора, навести аналітичні співвідношення. Зняти залежність частоти генератора з кварцом і без кварцу від температури. Провести порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних даних. Зробити висновки.
2. Описати механізм впливу змін Екол на частоту генератора, навести аналітичні співвідношення. Зняти залежність частоти генератора з кварцом і без кварцу від змін Екол. Провести порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних даних. Зробити висновки.
3. Описати механізм впливу змін ємності контуру автогенератора на частоту, навести аналітичні співвідношення. Зняти залежність частоти генератора з кварцом і без кварцу від зміни ємності контуру автогенератора. Провести порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних даних. Зробити висновки.
4. Описати механізм впливу опору навантаження на частоту автогенератора, навести аналітичні співвідношення. Зняти залежність частоти генератора з кварцом і без кварцу від змін Rн. Провести порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних даних. Зробити висновки.
5. Порівняти графіки функцій кореляції генератора з кварцом і без кварцу, пояснити розбіжність.
6. Дослідити характер спектральної щільності флуктуацій частоти генератора, для чого зняти реалізації частоти при різних та Твим. Обробити результати на ЕОМ, побудувати графіки спектральних щільностей за кожною реалізацією та провести їх зшивання.
7. Керуючись схемою, яка наведена на рис.3.2, визначити значення індуктивності L1 для заданих значень C1, C2, f0.
Рисунок 3.2 – Еквівалентна схема генератора за схемою ємнісної триточки |
Рисунок 3.3 – Еквівалентна схема кварцового резонатора
|
Умова резонансу записується наступним рівнянням:
Розв'язати це рівняння відносно величини L1 і визначити цю величину згідно варіанта завдання за таблицею 3.2.
Таблиця 3.2 – Варіанти індивідуального розрахункового
завдання
-
f0 (МГц)
С1(pF)
C2(pF)
Cкв (pF)
Rкв (Ом)
1
5,0
80
65
1,0
2,8
2
5,2
85
60
1,2
2,6
3
5,4
90
55
1,4
2,4
4
5,6
75
50
1,6
2,2
5
5,8
70
45
1,8
2,0
6
6,0
95
70
2,0
1,8
7
4,0
100
75
2,2
1,6
8
4,2
105
40
2,4
1,4
9
4,4
110
35
2,6
1,2
10
4,6
115
90
2,8
1,0
11
4,8
120
95
3,0
0,8
12
3,0
125
100
3,2
0,6
13
3,2
130
80
3,4
0,4
14
3,4
135
85
3,6
0,2
15
3,6
140
100
3,8
0,1
16
3,8
145
105
4,0
0,05
17
6,2
60
50
4,2
0,025
18
6,4
55
25
4,4
0,0125
19
6,6
50
20
4,6
0,001
20
6,8
45
15
4,8
0,0025
Керуючись еквівалентною схемою (рис.3.3) визначити значення індуктивності (Lкв) цього резонатора для умови виникнення послідовного резонансу, а також значення добротності (Qкв) послідовного контуру для даних, варіанту з таблиці 3.2.
3.5 Зміст звіту
Принципова електрична схема генератора.
Результати теоретичного розрахунку та обробки на ЕОМ експериментальних даних.
Результати, отримані під час виконанні індивідуального завдання, та їх аналіз.
Висновки.
3.6 Контрольні запитання та завдання
1. Чому підвищення добротності коливної системи підвищує стабільність частоти автогенератора ?
2. На чому заснована стабілізуюча дія кварцу ?
3. На якій частоті “ послідовного “ чи “ паралельного “ резонансу працює кварцовий резонатор у схемі що була досліджена? Провести моделювання на ПК.
4. Чому змінюється частота генератора при зміні Екол ?
5. Пояснити механізм впливу вищих гармонік на стабільність частоти автогенератора.
6. Як змінюється характер реактивного опору кварцового резонатору від частоти ? Провести моделювання на ПК.
7. Як залежить зміна частоти від зміни балансу фаз ?
8. Як залежать стабільність частоти від добротності контура ?
9. Як по відомим статистичним характеристикам збурення, наприклад GR(F); Ge(F) , розрахувати спектр нестабільності частоти автогенератора ?
10. За яким принципом працюють електронно-лічильні частотоміри? Як залежить похибка частотоміра від часових інтервалів відліку?
11. Який зв’язок між значеннями оцінки дисперсії частоти та спектральної щільності при вимірюваннях нестабільності за допомогою частотоміру?
4 ДОСЛІДЖЕННЯ АМПЛІТУДНОЇ МОДУЛЯЦІЇ
ТРАНЗИСТОРНИХ ГЕНЕРАТОРІВ
4.1 Мета роботи
Мета роботи – освоєння методики регулювання режиму генератора при колекторній та базовій модуляціях ; вивчення статичних та динамічних (амплітудних та частотних ) модуляційних характеристик генератора, причини нелінійних та частотних спотворень.
4.2 Методичні вказівки до організації самостійної роботи студентів
Ознайомитися з описом лабораторного макету.
Вивчити розділи з амплітудної модуляції у [1, с. 364 - 380 ; 2, с. 290 - 304]. Відобразити передбачуваний характер залежностей, які будуть встановлені під час виконанні роботи.
Намалювати принципову схему для колекторної та базової модуляцій, використовуючи опис схеми макету, за рисунком 4.1
Рисунок 4.1 – Схема дослідження колекторної та базової амплітудної модуляції
Розрахувати критичний режим генератора та режим мовчання як для базової, так і для колекторної модуляції ( вихідні дані для розрахунку отримати у викладача). За даними розрахунків визначити середню потужність та ККД генератора, а також величину модулюючої напруги, необхідної для отримання коефіцієнта глибини модуляції m =1.
Скласти структурну схему експерименту.
Зробити таблиці для занесення експериментальних даних.
Необхідно знати, що якщо для немодульованого генератора з зовнішнім збудженням режим звичайно обирають таким чином, щоб отримати максимально можливі для даного активного елементу потужність та ККД ( це виконують у критичному режимі при оптимальному куті відсічки), необхідно, при виборі режиму модульованого генератора, забезпечити додаткові вимоги : обвідна вихідного модульованого коливання повинна повторювати форму модулюючої напруги з мінімальними спотвореннями. Цю вимогу можна виконати лише під час роботи генератора в області недонапруженого режиму, при базовій модуляції, та в перенапруженому режимі, при колекторній модуляції. В обох режимах значно зменшується корисна потужність Р1 у порівнянні з критичним режимом. У режимі мовчання корисна потужність Р1мов складає лише 25% від потужності у критичному режимі. В недонапруженому режимі, крім того, зменшується ККД.
Оцінити якість модуляції та вибрати найвигідніший режим роботи каскаду можна за статичними та динамічними модуляційними характеристиками.
Статична модуляційна характеристика ( СМХ ) - це залежність першої гармоніки колекторного струму Ік1 ( або величини, їй пропорційної ) від тієї напруги живлення, яка буде модулюватися. Необхідно мати на увазі, що при знятті статичних модуляційних характеристик ми маємо справу не з статичним режимом роботи генератора. Кожна точка СМХ визначає амплітуду коливань деякого динамічного режиму.
Амплітудна модуляція, як і інші види модуляції, можлива тільки в нелінійному режимі коливань з відсічкою колекторного струму. Причому при базовій модуляції зміна Еб призводить до зміни висоти імпульсу струму колектора Ік та його нижнього кута відсічки. СМХ принципово нелінійна. При колекторній модуляції зміна Ек призводить до зміни висоти імпульсу струму колектора Іm та верхнього кута відсічки; СМХ більш лінійна. ніж при базовій модуляції. За знятою СМХ обирають режим носійної. Для отримання малих нелінійних спотворень режим несійної частоти ( початкова напруга модулюючого фактора ) необхідно встановити на середині лінійної ділянки СМХ. Максимальна амплітуда звукової напруги Umax повинна бути такою, щоб модуляція відбувалася тільки на лінійній ділянці СМХ.
СМХ не дає повного уявлення про якість роботи модуляційного пристрою, так як не враховує впливу елементів схеми тракту високої частоти, опір яких залежить від частоти напруги що модулює. Тому, після зняття СМХ та встановлення напруг живлення у режимі мовчання, знімають динамічні амплітудні m = f ( U ) F=const
та частотні m = f ( U ) U=const модуляційні характеристики, використовуючи вимірювач глибини модуляції та нелінійних спотворень. Амплітудну модуляційну характеристику знімають при обумовленій та незмінній частоті напруги що модулює (звичайно F=400 Гц або 1000 Гц ). Залежність m=f(U) вже дає відоме уявлення про величину нелінійних спотворень. Проте коефіцієнт нелінійних спотворень К оцінюють за допомогою вимірювача нелінійних спотворень, який дозволяє зняти залежність К = f ( m ).