Задание 5

Исследуйте форму и спектр реакции нелинейного элемента с экспоненциальной функциональной характеристикой на моногармоническое воздействие. Для этого выберите экспоненциальную характеристику НЭ, активизировав пункт меню «Характеристика НЭ» / «Экспоненциальная», и гармонический сигнал с параметрами:

напряжение смещения Е_СМ = 0 В,

амплитуда E₁ = 2 В,

частота F = 1 кГц.

Зафиксируйте схему нелинейного преобразователя. Наблюдайте и зафиксируйте диаграмму работы нелинейного преобразователя, спектры воздействия (U_ВХ) и реакции (выходного тока НЭ) в удобном и едином масштабе по осям частот.

Обратите внимание на количество и частоты спектральных составляющих реакции.

Сделайте выводы по результатам наблюдений.

Комментарии и выводы

При моногармоническом воздействии на нелинейный элемент с экспоненциальной функциональной характеристикой вида

форма его реакции искажается за счет уплощения и отсечки снизу и обострения сверху,

а спектр реакции обогащается постоянной составляющей и гармониками частоты воздействия.

Спектральный анализ реакции НЭ с экспоненциальной функциональной характеристикой на моногармоническое воздействие производят методом ее разложения в ряды Фурье, коэффициентами которых являются бесселевы функции мнимого аргумента (модифицированные функции Бесселя).

Задание 6

Исследуйте форму и спектр реакции нелинейного элемента с экспоненциальной функциональной характеристикой на бигармоническое воздействие. Для этого сохраните экспоненциальную характеристику НЭ и установите бигармонический сигнал с параметрами:

напряжение смещения Е_СМ = 0 В,

амплитуда E₁ = 1 В,

частота F = 1 кГц,

амплитуда Е₂ = 1 В,

частота f = 10 кГц.

Наблюдайте и зафиксируйте диаграмму работы нелинейного преобразователя, спектры воздействия (U_ВХ) и реакции (выходного тока НЭ) в удобном и едином масштабе по осям частот.

Обратите внимание на количество и частоты спектральных составляющих реакции.

Сделайте выводы по результатам наблюдений.

Комментарии и выводы

При бигармоническом воздействии на нелинейный элемент с экспоненциальной функциональной характеристикой вида

форма его реакции искажается за счет уплощения снизу и обострения сверху, а спектр реакции обогащается постоянной составляющей, гармониками каждой из двух частот воздействия и колебаниями комбинационных частот (mf + nF), где m и n принимают целочисленные значения.

Работа 7. Нелинейное усиление и умножение частоты

Работа «Нелинейное усиление и умножение частоты» содержит пять заданий:

1. Исследование усиления гармонического сигнала при квадратичной характеристике НЭ.

2. Исследование усиления гармонического сигнала при кусочно-линейной характеристике НЭ.

3. Исследование ФХ нелинейного усилителя и определение оптимального режима его работы.

4. Исследование ФХ удвоителя частоты и определение оптимального режима его работы.

5. Исследование ФХ утроителя частоты и определение оптимального режима его работы.

Задание 1

Исследуйте усиление гармонического сигнала в усилителе с квадратичной характеристикой управления усилительного элемента. Для этого выберите:

1. квадратичную характеристику НЭ с напряжением отсечки U_ОТС = @U В (пункт меню «Характеристика НЭ» / «Квадратичная...»);

2. гармонический входной сигнал с частотой F =@F кГц (пункт меню «Сигнал» / «Гармонический...»).

Установите напряжение смещения Е_СМ и амплитуду E₁ сигнала из условия полного использования квадратичного участка характеристики НЭ, не заходя в области отсечки и насыщения.

Наблюдайте и зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы усилителя;

2) спектрограммы входного напряжения и выходного тока НЭ;

3) осциллограммы и спектрограммы выходного напряжения, АЧХ при нагрузках (пункт меню «Нагрузка»):

а) резистор R;

б) идеальный полосовой фильтр (ПФ) с шириной полосы пропускания dF = 1 кГц;

в) колебательный контур (LC) c добротностью Q = 20.

4) схему нелинейного усилителя с нагрузкой в виде колебательного контура.

Варианты: 1) U = –2 В, F = 2 кГц; 2) U = –3 В, F = 3 кГц;

3. U = –4 В, F = 4 кГц; 4) U = –5 В, F = 5 кГц; 5) U = –6 В, F = 1 кГц.

Комментарии и выводы

В режиме слабого сигнала (в усилителях малой мощности) характеристику управления усилительного элемента целесообразно аппроксимировать полиномиальной зависимостью

,

а расчет спектрального состава реакции проводить методом кратных дуг, в основе которого лежит формула

.

Для уменьшения нелинейных искажений (подавления побочных продуктов нелинейного преобразования) в нелинейном усилителе следует использовать избирательную нагрузку – полосовой фильтр (колебательный контур), настроенный на среднюю частоту спектра входного сигнала, с шириной полосы пропускания не меньше ширины спектра усиливаемого сигнала.