Міністерство освіти і наук України

Черкаський державний технологічний університет

Генерування та формування сигналів

методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

для студентів спеціальності 6.050901 "Радіотехніка"

усіх форм навчання

Черкаси 20015

Міністерство освіти і наук України

Черкаський державний технологічний університет

Генерування та формування сигналів

методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

для студентів спеціальності 6.050901 "Радіотехніка"

усіх форм навчання

Затверджено

на засіданні кафедри

радіотехніки,

протокол № 10 від 28.04.2015 р.

та методичною радою ЧДТУ,

протокол № 5 від 05.05.2015 р.

Черкаси 20015

УДК 621.396.61

Укладачі: Палагін В.В., д.т.н.; Івченко О.В; Зорін О.С.

Рецензент: Гончаров А.В, к.т.н.

Генерування та формування сигналів: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів спеціальності 6.050901 "Радіотехніка" усіх форм навчання / Укл. В.В. Палагін, О.В. Івченко, Зорін О.С – Черкаси: ЧДТУ, 20015. – 115 с.

Запропоновані методичні вказівки призначені для проведення лабораторних робіт з курсу "Генерування та формування сигналів" для студентів спеціальності 6.090701 "Радіотехніка" усіх форм навчання.

В даних методичних вказівках міститься матеріал, який допоможе студентам провести лабораторне дослідження окремих радіотехнічних вузлів, призначених для формування, обробки і передачі радіосигналів.

УДК 621.396.61

© ЧДТУ

© Палагін В.В., Івченко О.В., Зорін О.С.

Зміст

Лабораторна робота №1. Дослідження режимів роботи активного елемента. Побудова підсилювача потужності на транзисторах	6
Лабораторна робота №2. Вплив напруг живлення на режими підсилювача потужності	14
Лабораторна робота №3. Дослідження базової та колекторної модуляції	17
Лабораторна робота №4. Дослідження роботи автогенератора Лабораторна робота №5. Дослідження частотного модулятора	22 34
Лабораторна робота №6. Досліджування помножувачів частоти передавачів	66
Лабораторна робота №7. Проведення радіозв’язку на прикладі трансивера IC-7400	97
Література
Додатки

Передмова

Будь-яка система зв’язку включає в себе радіопередавальний пристрій, задачею якого є перетворення енергії постійного струму джерела живлення в електромагнітні коливання і керування цими коливаннями за заданим законом модуляції.

Задачею курсу "Генерування та формування сигналів" є ознайомлення студентів з фізичними процесами при генерації, підсиленні і керуванні ВЧ коливаннями, з принципами побудови і розрахунку радіопередавачів різного призначення в різних діапазонах частот.

Запропоновані методичні вказівки містять сім лабораторних робіт, які сприяють засвоєнню практичних навиків роботи зі спеціальним обладнанням та лабораторними стендами. При проведенні лабораторних робіт студенти зможуть опанувати принципи роботи основних вузлів і ланок радіопередавальних пристроїв, а саме познайомитися з різними видами модуляції сигналів (АМ, ЧМ, ФМ), побудовою і ефективними розрахунками підсилювачів потужності, принципами побудови і дослідження режимів роботи автогенераторів, дослідження структури і принципів функціонування трансивера колективної радіостанції.

Опанування лабораторного курсу сприяє підвищенню якості підготовки в галузі радіопередавальних систем, підвищує якість теоретичних знань, є одним з базових етапів для проведення курсового і дипломного проектування.

Лабораторна робота №1

Дослідження режимів роботи активного елемента. Побудова підсилювача потужності на транзисторах

Мета роботи: ознайомитися з основними режимами роботи активного елемента (АЕ), їх властивостями та методами отримання. Вивчити схему транзисторного підсилювача потужності; засвоїти налагодження вихідного ланцюга підсилювача на задану потужність на навантаженні; дослідити навантажувальні характеристики підсилювача потужності.

Теоретичні відомості

1. Визначення статичних характеристик транзистора

Експлуатаційні характеристики транзисторів характеризуються двома способами: табличні дані і статичні характеристики.

На рис. 1.1. показані вхідна, прохідна та вихідна статичні характеристики транзистора при відображенні трьох можливих режимів роботи. В залежності від режиму роботи підсилювальний транзисторний каскад буде характеризуватися різним значенням ККД, коефіцієнта передачі по потужності та іншими параметрами. Тому дослідження цих режимів і розрахунок каскаду в максимальному, з точки зору енергетичних показників, режимі, є важливою складовою при побудові сучасних високо економічних передавальних пристроїв.

Рис.1.1. Статичні характеристики транзистора: а) вхідна характеристика, б) прохідна характеристика, в) вихідна характеристика

Статичні характеристики дозволяють визначати струм в ланцюгах кожного з електродів АЕ при довільних комбінаціях напруг на електродах.

Електричні режими характеризуються:

• формою струму та напруги на вході та виході активного елемента;

• числовими значеннями електричних величин.

Як відомо, в роботу активних елементах поділяють на активний режим, режим насичення і режим відсічки. Високо потужні каскади підсилювачів потужності (ПП), як правило, працюють в режимі відсічки колекторного струму для досягнення високих значень ККД.

Приведемо аналітичні вирази, які дозволяють встановити зв’язок між параметрами транзистора через так звану крутизну активного елемента:

вхідна крутизна ;

прохідна крутизна ;

критична крутизна ;

де I_вх, I_вих, U_вх, U_вих – вхідні ті вихідні струми та напруги АЕ;

β₀ – статичний коефіцієнт підсилення за струмом;

r_Б – опір бази транзистора;

r_Е – опір емітера транзистора;

r_К – опір колектора транзистора.

Вирази, що описують поведінку окремих ділянок статичних характеристик, мають вигляд:

вхідна характеристика ;

прохідна характеристика ;

вихідна характеристика ;

де Е* – напруга відкриття транзистора (для германієвих становить 0,3В, для кремнієвих – 0,7В),

, – вхідна та вихідна напруга АЕ в критичному режимі.

2. Визначення гранично допустимих параметрів транзистора

При розрахунках ПП необхідно знати гранично допустимі параметри транзистора, що обмежують корисну потужність підсилювача:

• максимальна напруга між колектором та базою АЕ, при якій не виникає пробій колекторного переходу. При ξ = 0,9 (використання джерела живлення) напруга джерела живлення колекторного ланцюга визначається як

,

де – допустима напруга колектор-база АЕ за довідником.

• максимальне миттєве значення струму колектора , перевищення якого зменшує надійність транзистора. Максимальна висота імпульсу колекторного струму має бути менше допустимого значення

.

• Максимальне значення зворотної напруги на емітерному переході , перевищення якої призводить до пробою переходу. При розрахунках необхідно перевірити виконання умови

,

де – мінімальна напруга на базі.

3. Визначення граничних параметрів транзистора

У якості параметра, що характеризує частотні властивості транзистора, використовують граничну частоту за крутизною f_гр., яка визначається з умови рівності модуля крутизни |S| транзистора одиниці:

.

На частоті f = 0,5f_гр. похибка у визначенні |S| за статичними характеристиками не перевищує 10%. Тому на частотах f ≤ 0,5f_гр. активний режим колекторного ланцюга підсилювача може бути розрахованим на основі статичних характеристик.

В інверсному та насиченому режимах інерційність транзистора значно зростає. Тому при розрахунках колекторного ланцюга ПП в перенапруженому режимі за статичними характеристиками необхідне виконання умови f ≤ 0,5f_гр.

В довідниках граничну частоту інколи називають одиничною частотою (f₁), тобто частотою, на якій коефіцієнт підсилення транзистора рівний 1. На основі даного параметру можна визначити верхню частоту f_в робочого частотного діапазону транзистора, яка повинна відповідати умові

.

4. Узгоджуючий ланцюг підсилювача потужності

Вихідний каскад призначений для забезпечення необхідної потужності на корисному навантаженні. Опір корисного навантаження R_Н – як правило, стандартна величина, рівна 50 або 75 Ом. Для реалізації оптимального енергетичного режиму підсилювача необхідно забезпечити опір навантаження для першої гармоніки колекторного струму певного значення. Як правило, оптимальний опір R_опт. АЕ не співпадає з опором корисного навантаження R_Н. Отже, необхідний ланцюг узгодження, що трансформує стандартний опір R_Н в оптимальний R_опт.. ККД такого ланцюга повинен бути по можливості високим.

Для досягнення високого ККД підсилювача транзистор мусить працювати в режимі відсічки колекторного струму. Такий режим, на відміну від режиму без відсічки, характеризується набагато вищою кількістю струмів вищих гармонік. Тому вихідний ланцюг узгодження, окрім функції трансформації опорів, повинен виконувати функцію фільтрації та забезпечувати неспотворене проходження модульованих коливань.

Схема узгодження транзисторного підсилювача потужності, який використовується в лабораторній роботі, зображено на рис. 1.2.

Колекторний ланцюг за схемою рис. 1.2.а дозволяє перетворювати будь-який опір R_Н та забезпечує високу фільтрацію за умови, що R_опт. і R_Н помітно відрізняються за значенням.

Якщо ж R_опт. і R_Н однакові за значенням, то з точки зору покращання фільтрації необхідно використовувати більш складні схеми, зображені на рис. 1.2.б,в.

Рис.1.2. Електричні схема узгодження транзисторного підсилювача потужності

5. Порядок розрахунку транзисторного підсилювача потужності в критичному режимі

Задані наступні параметри:

тип транзистора;

потужність, яку транзистор віддає на першій гармоніці в ланцюг узгодження P₁;

робоча частота f;

напруга живлення колектора E_К.

На основі довідникових даних необхідно виписати параметри транзистора: β₀, S_кр., f_гр., U_КБ^доп., I_К^max.

Кут відсічки колекторного струму задається рівним θ = 90˚ (критичний режим роботи АЕ), за таблицями знаходять відповідні коефіцієнти Берга , і , а за статичними характеристиками транзистора крутизну S.

Розрахунок ведеться в наступному порядку:

1. Коефіцієнт використання колекторної напруги в критичному режимі АЕ

.

2. Амплітуда напруги на колекторі в критичному режимі АЕ

.

3. Амплітуда першої гармоніки колекторного струму АЕ

.

4. Висота імпульсу колекторного струму

.

5. Постійна складова колекторного струму

.

6. Амплітуда вхідної напруги на АЕ

.

7. Напруга зміщення на базі АЕ

.

8. Опір колекторного навантаження в критичному режимі АЕ

.

9. Потужність, що споживається підсилювачем

.

10. Потужність, що розсіюється на колекторі

.

11. ККД колекторного ланцюга

.

12. Коефіцієнт підсилення за потужністю АЕ

.