книги / 130

2.5.Методические указания

1.Принципиальная схема макета изображена на рис. 2.1. Переключатель

"НАГРУЗКА" – в положении "LC", переключатель "Rш" должен быть выключен (кнопка отжата).

Настройку в резонанс осуществите путём изменения частоты встроенного

генератора установки в диапазоне 12÷16 кГц при UВХ≈0.5 В. Достижение резонанса фиксируйте по максимальному напряжению в цепи стока (гнездо КТ 2) или по максимальному показанию микроамперметра стенда, постоянно включённому в цепь индикатора резонанса. Значение резонансной частоты f0 внесите в табл. 2.1. При исследованиях используйте приборы PC–Lab2000.

2.Частота генератора гармонических колебаний fВХ должна быть в n раз меньше резонансной частоты контура, т. е. fВХ = f0/n, где n – кратность умножения; тогда n-я гармоника входного сигнала будет совпадать по частоте с часто-

той настройки контура f0. Точное значение fВХ определяйте по максимуму выходного сигнала при подстройке частоты генератора вблизи расчётного значения fВХ.

3.Амплитудную характеристику умножителя частоты измеряйте и рассчитывайте разными способами.

3.1. Для получения амплитудной характеристики умножителя частоты при iМАХ=соnst выполните предварительный расчёт, в результате которого заполните первые три строки табл. 2.1.

Кратность умножения n (или номер выделяемой гармоники) выберите таким же, как и при расчётах спектра в домашнем задании. Соответственно установите частоту входного сигнала и его величину UВХ (действующее значение). Вторая строка таблицы содержит амплитудные значения UmВХ, которые больше UВХ в √2, т. е. UmВХ=UВХ√2. Третью строку таблицы рассчитайте так, чтобы при всех изменениях максимальное напряжение на затворе было бы постоянно равно нулю. Для этого смещение по модулю должно равняться амплитуде сигнала, т. е. ЕСМ = - UmВХ. При этом условии амплитуда импульса тока будет постоянной, но будет меняться угол отсечки θ и, соответственно, спектральный состав тока стока, в том числе и амплитуда n-ной гармоники.

11

Для получения каждого значения UВЫХ (гнездо КТ 2) необходимо установить расчётные пары значений ЕСМ и UВХ из таблицы (причём сначала установите ЕСМ, затем UВХ) и, подстроив частоту генератора согласно п. 2, снимите отсчёт UВЫХ. Измерения UВЫХ продолжайте до тех пор, пока не будет найдено максимальное значение UВЫХ, которое соответствует оптимальному режиму умножителя частоты.

3.2. Для получения амплитудной характеристики умножителя частоты при UВХ =соnst следует установить на входе (гнездо КТ 1) напряжение UВХ =1 В с частотой fВХ=f0/n и, изменяя ЕСМ в пределах – (1.0 ÷ 6.0) В с шагом 0.5 В, измерять выходное напряжение на контуре (гнездо КТ2). Значение n берите то же, что и при расчёте домашнего задания. Перед снятием каждого отсчёта UВЫХ подстраивайте частоту генератора, добиваясь максимума UВЫХ согласно п. 2.

Найдите точное значение ЕСМ, при котором UВЫХ = UВЫХМАХ. Результаты представте в виде табл. 2.2.

Таблица 2.2

4.Амплитудные характеристики умножителя для случая 3.1 – Iсn= ϕ1(UВХ)

идля случая 3.2 – Iсn= ϕ2(ЕСМ), рассчитайте по данным двух последних таблиц:

Iсn= UВЫХ/RЭО,

где RЭО – эквивалентное сопротивление колебательного контура на частоте резонанса (примите RЭО =1 кОм). Постройте график ϕ3 (или ϕ4).

Временные диаграммы и спектры для оптимального режима наблюдайте и фиксируйте для той пары значений ЕСМ и UВХ, при которой напряжение n-ой гармоники UВЫХ было максимальным.

Представьте осциллограммы и спектры следующих сигналов (с сохранением масштаба по оси времени):

•входного напряжения uВХ(t) – гнездо КТ 1;

•тока стока iC(t) – при нажатой кнопке "R", гнезда КТ 2;

• выходного напряжения uВЫХ(t) – при нажатой кнопке "LC", гнезда КТ 2, для двух случаев: шунт включен (кнопка RШ нажата) и выключен (кнопка RШ отжата), а также спектры вышеперечисленных сигналов. По временной зависимости iC(t) найдите значение угла отсечки θ. Эту величину найдите из сравнения отрезков, соответствующих периоду колебания (3600) и ширине основания импульса тока (2θ).

5. Исследуйте временные диаграммы процесса умножения частоты при другом значении n. Не изменяя установленных ранее значений ЕСМ и UВХ, настройте частоту генератора на получение гармоник с более высоким номером

12

(n=3...4 или др.). Добейтесь максимума UВЫХ путем небольшой подстройки ЕСМ. Зафиксируйте осциллограммы и спектры процессов uВХ(t), iC(t) и uВЫХ(t) при отключённом шунте.

2.6. Отчёт

Отчёт должен содержать:

1.Принципиальную схему исследованных устройств.

2.Исходную и аппроксимированную сток–затворную характеристику полевого транзистора для соответствующего варианта исследований.

3.Таблицы исходных, расчётных и экспериментальных данных.

4.Графики амплитудных характеристик ϕ1 и ϕ2, а также осциллограммы и спектры исследованных процессов.

2.7.Контрольные вопросы

1.Изобразите схему умножителя частоты. Поясните принцип её рабо-

ты.

2.С какой целью применяются умножители частоты?

3.Как выбрать оптимальный режим работы усилителя?

4.Как выбрать оптимальный режим работы умножителя частоты?

5.Какова роль нелинейного элемента в схеме умножителя частоты?

6.Какова роль избирательной нагрузки в схеме умножителя частоты?

7.Как получить осциллограмму тока, протекающего через колебательный контур?

8.Какое влияние оказывает выбор напряжения смещения на работу умножителя частоты?

9.Какое влияние и почему оказывает добротность контура нагрузки на качество работы умножителя частоты?

10.Что такое коэффициент гармоник?

Лабораторная работа № 3

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ

3.1. Цель работы

Исследование процесса преобразования частоты при использовании нелинейного элемента с квадратичным участком вольтамперной характеристики.

3.2. Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется универсальный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ, фрагмент схемы которого приведён в работе № 2 (рис. 2.1). Исследуемая цепь представляет

13

собой преобразователь на полевом транзисторе с избирательной нагрузкой (LCконтур) в цепи стока. На затвор полевого транзистора подаётся сумма напряжений сигнала, гетеродина и постоянного напряжения смещения.

Для преобразования частоты используется квадратичный участок стокзатворной характеристики полевого транзистора.

Источником входного сигнала в данной работе служит дополнительный генератор амплитудно-модулированных (АМ) колебаний или сигнал с АМ синтезированный программным обеспечением PC–Lab2000. В этом генераторе несущая частота ( 100 кГц) и частота модуляции (1 кГц) фиксированы; напряжение несущей должно быть примерно 300 мВ, а глубина модуляции может изменяться в широких пределах. Напряжение АМ колебания ("сигнал") с выхода генератора должно быть подано на входные гнезда 1 исследуемой цепи.

Встроенный диапазонный генератор, играющий роль гетеродина, подключите к гнёздам 2. Частоту его колебаний выберите в соответствии с результатами предварительного расчёта равной fГ, напряжение – 1 В.

В качестве измерительных приборов используйте вольтметр, осциллограф и виртуальные приборы – осциллограф и анализатор спектра, которые подключаются в процессе измерений необходимых характеристик, а также приборы с программным обеспечением PC–Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых обратитесь к инструкции и меню

Help.

Входной сигнал наблюдайте на гнёздах КТ 1, а напряжение гетеродина – на гнёздах КТ 2. Для наблюдения процессов на затворе осциллограф должен быть подключен к гнёздам КТ 1; гнёзда КТ 2 служат для наблюдения и измерения выходного сигнала.

3.3.Предварительная подготовка

1.Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе материал по преобразованию частоты сигнала.

2.Пользуясь сток-затворной характеристикой полевого транзистора, вы-

берите напряжение смещения ЕСМ на середине квадратичного участка. С помощью указаний, данных в п. 3.2, рассчитайте ориентировочные значения частот

гетеродина fГ1 и fГ2.

3. Внесите в заготовку отчёта результаты расчётов.

3.4.Лабораторное задание

1.Наблюдайте преобразование частоты амплитудно-модулированного

сигнала.

2.Получите характеристику преобразования.

14

3.5.Методические указания

1.Принципиальная схема исследуемой цепи должна соответствовать ра-

ботам Усиление сигналов – №5 и Исследование сигналов с АМ – №6 учебного пособия по РТЦиС и приведена на рис. 2.1. Переключатель "R–LC" установите

вположение "LC". При выполнении работы используйте контур с пониженной

добротностью (RШ включено). Переключатели "СН" сменного блока, не используемые в данной работе, установите в нулевое положение (все кнопки отжаты).

2.Подготовительный расчёт проводите по формулам:

fПР= f0, fГ1 = fН - fПР, fГ2= fН+ fПР,

где fПР – преобразованная (промежуточная) частота; f0 – резонансная частота контура (13÷15 кГц); fН=100 кГц – несущая частота сигнала; fГ – частота гетеродина.

Полученные величины внесите в приведённую ниже табл. 1.

3.Положение рабочей точки выберите на середине квадратического уча-

стка ВАХ транзистора. Найденное значение ЕСМ внесите в таблицу 1 и установите на стенде потенциометром "СМЕЩЕНИЕ".

4.Режим преобразования частоты обеспечьте настройкой одного из гене-

раторов ("гетеродина") так, чтобы комбинационная разностная частота fГ - fН =fПР (промежуточная частота) совпала с резонансной частотой (f0) контура в цепи стока. Перед настройкой установите на входе 1 UГ=1 В от генератора ("гетеродина") с частотой fГ1. На вход 2 подайте напряжение "сигнала". "Сигналом" в данной работе является напряжение с выхода используемого генератора. Напряжение "сигнала" контролируйте встроенным вольтметром переменного напряжения. Для правильной установки АМ сигнала необходимо:

•убрать модуляцию (m=0);

•установить действующее значение напряжения несущей Un=0.5 В;

•установить глубину модуляции (30÷60)% и измерить её, наблюдая осциллограмму на входе 2. Такой порядок установки параметров АМ сигнала связан с тем, что вольтметры переменного напряжения не рассчитаны на сигналы с меняющейся амплитудой.

Изменяйте частоту fГ1 до получения на выходе (КТ 2) АМ колебаний с наибольшей амплитудой. Контроль ведите по осциллографу и микроампермет-

ру стенда. Подстраивая в небольших пределах ЕСМ, добейтесь ещё большего выходного сигнала.

5. Временные диаграммы входного сигнала и преобразованного колебания зарисуйте на одном листе с сохранением соответствия по времени; при этом достаточно одного периода огибающей. Обратите внимание на частоту заполнения. Также зарисуйте выходное напряжение при отключенном гетеродине.

6. Перестройте частоту диапазонного генератора на fГ2, повторите п. 5 при этой частоте гетеродина.

15

7. Характеристику преобразования UПР=ϕ(UН) снимите после настройки при любой из двух частот гетеродина fГ1 или fГ2. Для этого напряжение "несущей" UН берите от используемого источника сигнала при отсутствии модуляции. Задавая напряжения "несущей" в пределах от 0 до 1 В на входе сумматора и, не меняя напряжение "гетеродина", заполните таблицу 1, на основании которой постройте график UПР=ϕ(UН).

Таблица 1

3.6. Отчёт

Отчёт должен содержать:

1.Принципиальную схему преобразователя частоты.

2.Исходную и аппроксимированную сток-затворную характеристику полевого транзистора для соответствующего варианта.

3.Таблицу исходных и экспериментальных данных; осциллограммы.

4.График амплитудной характеристики преобразователя, осциллограммы; спектрограммы.

3.7.Контрольные вопросы

1.Какова роль полевого транзистора в схеме преобразователя частоты?

2.Какая форма ВАХ нелинейного элемента наиболее удобна для преобразования частоты?

3.Какова роль избирательной нагрузки в схеме преобразования частоты?

4.Какие требования предъявляются к нагрузке нелинейного элемента преобразователя частоты?

5.Изобразите схемы типовых преобразователей частоты.

6.Что такое крутизна преобразования? Определите крутизну преобразования исследованного преобразователя частоты.

7.Чем отличаются формы и спектры сигналов на входе и выходе преобразователя частоты?

8.Что такое характеристика преобразования преобразователя частоты? Как снять её экспериментально?

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО МОДУЛЯТОРА

4.1. Цель работы

Исследование принципа действия частотного модулятора. Получение характеристик частотного модулятора при воздействии на его вход

16

моногармонического сигнала. Исследование формы и спектра сигналов с частотной модуляцией.

4.2.Схема работы и измерительная аппаратура

Вданной работе используется универсальный лабораторный стенд со сменным блоком ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ, упрощённая принципиальная схема

которого приведена на рис. 4.1. Объектом исследования в данной работе является левая часть схемы (между гнёздами КТ 1 и КТ 2).

Как можно увидеть из схемы, частотный модулятор представляет собой RC генератор, состоящий их двухкаскадного резистивного усилителя (А1) и фазобалансной цепи (ФБЦ) или моста Вина, обеспечивающей положительную обратную связь. Частота генерации зависит от параметров ФБЦ – С3, С4 и сопротивлений каналов (RСИ) полевых транзисторов VT1 и VT2. Сопротивление канала (RСИ) зависит от управляющего напряжения, приложенного к затвору.

Рис. 4.1. Упрощённая принципиальная схема сменного

блока ЧАСТОТНЫЙ МОДЕМ Таким образом, полевые транзисторы в ФБЦ являются

параметрическими элементами, управляемыми модулирующим напряжением. Напряжение смещения (ЕСМ), являющееся постоянной составляющей модулирующего сигнала, позволяет установить несущую частоту модулированного сигнала, а переменная составляющая, т. е. сам модулирующий сигнал, поданный на гнезда КТ 1, обеспечивает девиацию

17

частоты fmax, зависящую от амплитуды модулирующего сигнала. Выходом частотного модулятора являются гнезда КТ 2.

Всхеме модулятора имеется блок автоматической регулировки усиления, поддерживающий постоянную амплитуду ЧМ-сигнала (на схеме не показан).

Вкачестве источника модулирующего сигнала используется встроенный диапазонный генератор базового блока, подключаемый к входу модулятора или дополнительные программные (виртуальные) генераторы. Для контроля входного сигнала используйте вольтметр, осциллограф. Анализ спектра выполняйте на основе отдельной программы ПК («ТЭС») в режиме «Спектроанализатор». Кроме того, используйте приборы с программным обеспечением PC–Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.

4.3.Предварительная подготовка

Изучите основные вопросы теории исследуемой темы по конспекту лекций и рекомендованной литературе.

Выполните моделирование сигнала с угловой гармонической модуляцией с целью получения временных и спектральных характеристик для параметров сигнала, отмеченных в методических указаниях лабораторного задания.

4.4. Лабораторное задание

Снимите статическую модуляционную характеристику и определите оптимальный режим модулятора.

Определите влияние амплитуды модулирующего сигнала на форму и ширину спектра ЧМ-сигнала (при постоянной частоте модуляции).

Определите влияние частоты модуляции на форму и ширину спектра ЧМсигнала (при постоянной амплитуде модулирующего сигнала).

Наблюдайте форму сигнала на входе и выходе частотного модулятора.

4.5.Методические указания

4.5.1.Определение статической модуляционной характеристики

Статическая модуляционная характеристика (СМХ): f=φ(ЕСМ) снимите

при отсутствии модулирующего сигнала. Последовательно устанавливая потенциометром ЕСМ значения из таблицы 4.1, определите значения частоты модулятора f, подключив выход модулятора (гнездо КТ 2) к входу ПК, работающего в режиме анализа спектра или используйте для этого приборы PC– Lab2000.

Четвёртая строка таблицы заполняется исходя из необходимости пользоваться вольтметром переменного напряжения, имеющим градуировку в действующих значениях UC = Umc 0.707.

2.Подключите диапазонный генератор к входу модулятора (гнездо КТ 1). Туда же подключите и вольтметр переменного напряжения (или используйте

осциллограф). Установите частоту модулирующего сигнала FМОД = 500 Гц. В качестве источника модулирующего сигнала используйте диапазонный генератор базового блока или PC–Lab2000.

3.Последовательно устанавливая значения UC из таблицы 4.3 регулятором выхода генератора, получите на ПК (через звуковую плату), подключённом к выходу модулятора (гнездо КТ 2), спектры ЧМ-сигналов, которые можно сохранить для последующего анализа (используйте Print Scr.). При использовании анализатора PC–Lab2000 для детального анализа следует в меню выбрать маркеры, позволяющие уточнить значения амплитуд и частот гармонических составляющих и сохранить отдельным файлом.

На каждой спектрограмме обязательно укажите:

• условия проведения эксперимента;

• частоты отдельных составляющих спектра;

•практическую ширину спектра 2 f *.

При определении 2 f * учитывайте только ту часть спектра, в которой амплитуды более 10% от максимальных амплитуд.

Полученные значения 2 f * внесите в табл. 4.3.

4.5.3. Исследование влияния частоты модуляции на спектр ЧМсигнала (при UC=const)

1. Сохраняя схему соединений (п.2), установите значения UC из таблицы 3 для МЧМ = 2.4 и не меняйте его в дальнейшем.

2. Последовательно устанавливая частоты модуляции (табл. 4.4), получите спектрограммы соответствующих ЧМ-сигналов. В таблицу внесите значения 2 f *.

4.Заполните последнюю строку табл. 4.4, используя определение МЧМ и необходимые данные из табл. 4.3.

20