Компьютерный практикум по курсу Компьютерное моделирование и исследование радиотехнических устройств. Часть 2

План УМД на 2014/2015 уч.г.

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсу

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Часть 2

(для студентов магистратуры направления «Радиотехника» 210400 и студентов бакалавров направлений 2104, 2107)

Составитель А.А.Кубицкий, профессор

Издание утверждено советом факультета РиТ. Протокол № 7 от 11.03.2014 г.

Рецензент Г.А.Долин

2

направления подготовки «Радиотехника» (210400) по профилю подготовки

«Системы и устройства передачи, приёма и обработки сигналов». В

результате изучения дисциплины у студентов магистратуры должны сформироваться компетенции, позволяющие проводить: самостоятельное определение параметров математических моделей пассивных и активных элементов РТУ; самостоятельный анализ при исследовании узлов и каскадов РТУ в статическом режиме, в режиме работы с амплитудно-частотными характеристиками и в режиме исследования переходных процессов; оптимизацию указанных выше режимов и характеристик; а также подробный спектральный анализ переходных процессов для количественной оценки различных нелинейных искажений в каскадах РТУ для практического применения. Предполагается, что студенты и бакалавриата, и магистратуры уже знакомы с работой в прикладных программах ОС WINDOUS и с основами

практикум, Часть 2 для студентов магистратуры. Она позволяет ознакомить магистрантов с методикой компьютерной оценки наиболее широкого диапазона технических параметров УМЗЧ. Это формирует у них большинство из перечисленных выше компетенций магистров. Она построена на использовании широко известной ССМ ряда МС и может применяться с версиями МС8 – МС11. Базовый вариант лабораторной работы может быть использован для

«Аудиовизуальная техника» и др. Методика проведения лабораторного занятия преподавателем с использованием элементов МАО приведена в Части 1 Сборника лабораторных работ Кубицкого А.А. для студентов магистратуры.

Во второй лабораторной работе в базовом варианте студенты исследуют простейший двухкаскадный УМЗЧ как по постоянному току, так и по переменному току, получая важнейшие показатели УМЗЧ: мощность в нагрузке, коэффициент гармоник, коэффициент полезного действия и другие. Это позволяет вспомнить и закрепить материал, необходимый для последующего активного использования на занятиях. На следующем лабораторном занятии, материал которого опирается на результаты базового варианта работы, магистрантам предлагаются несколько другие схемные решения для реализации УМЗЧ. Ставится задача: по известной из предыдущей работы методике самостоятельно исследовать, как предлагаемые новые схемотехнические решения влияют на основные технические показатели УМЗЧ и какие показатели улучшаются. При этом на занятиях используются различные признаки методов активного обучения. Варианты для самостоятельных исследований выполняют только студенты магистратуры на аудиторных и внеаудиторных занятиях. После выполнения магистрантами

3

лабораторных работ самостоятельного направления им следует сделать выводы о влиянии ООС или «В-Д» на технические показатели УМЗЧ.

2. Лабораторная работа № 2 Исследование усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ)

2.1. Базовый вариант Исследование простой схемы УМЗЧ на БТ

Цель работы: Изучить методику компьютерного исследования основных технических показателей УМЗЧ, а также возможности улучшения этих показателей; закрепить принципы использования ВАХ УЭ для создания двухтактных бестрансформаторных каскадов, а также принципы действия этих каскадов; приобрести уверенные навыки работы при анализе амплитудно-частотных, переходных и спектральных характеристик электрических и радиотехнических схем в системах схемотехнического моделирования ряда МС.

2.1.1. Электрическая принципиальная схема исследуемого УМЗЧ

Предполагается, что студенты знакомы с основами работы в операционной системе Windows98 и выше и в состоянии запустить прикладную программу Micro-Cap Evolution 8.n, Micro-Cap Evolution 9.n или Micro-Cap Evolution 10.n.

После запуска программы Micro-Cap в верхней части открывшегося экрана появляется панель с командами главного меню - Рис. 2.1. Далее нужно

Панель с командами главного меню

Рис. 2.1

выбрать команду New, чтобы открыть окно выбора вида работы со схемами - Рис. 2.2. В этом окне следует выбрать команду Schematic (щёлкнув левой клавишей мышки) и далее команду OK (справа вверху). В открывшемся окне графического описания схем нужно собрать электрическую принципиальную схему усилителя, приведённую на Рис. 2.3. [3; 5]. Проверьте, чтобы

Рис. 2.2

4

компоненты схемы на экране монитора и на Рис. 2.3 имели идентичные обозначения, одинаковые величины и номера узлов (в противном случае следует или отредактировать схему, или менять номера узлов при обозначении переменных во время проведения анализа).

Рис. 2.3 При составлении схемы УМЗЧ необходимо в текстовом окне описания схем

или в окне описания математических моделей компонентов схем ввести ниже приведённый текст с моделями БТ схемы:

.MODEL 2T653A NPN (IS=6.00E-14 BF=75 VAF=90 VAR=100 IKR=0.2 ISC=6.00E-13 RB=5 RBM=3.5 IRB=0.5 RC=0.1 CJE=4.80E-11 VJE=0.75 MJE=0.33 CJC=3.80E-11 VJC=0.75 MJC=0.33 CJS=2.00E-14 VJS=0.75 MJS=0.33 FC=0.5 TF=1.20E-09 XTF=1.5 VTF=60 ITF=0.3 TR=3.20E-08 XTB=1.5)

.MODEL KT817B NPN (IS=3.5E-13 BF=34 VAF=50 IKF=1 ISE=1E-13 VAR=210 IKR=1 ISC=0.0000001 NC=1.5 RB=0.6 RBM=0.48 IRB=0.5 RC=0.15 CJE=1.5E-10 VJE=0.75 MJE=0.33 CJC=2.4E-10 VJC=0.75 MJC=0.37 CJS=2E-12 VJS=0.75 MJS=0.5 FC=0.5 TF=1.56E-09 XTF=1.5 VTF=100 ITF=0.5 TR=5.3E-08 XTB=2)

.MODEL KT816B PNP (IS=3.5E-13 BF=34 VAF=20 IKF=1 VAR=210 IKR=1 NC=1.5 RB=1.44 RBM=1.15 IRB=0.5 RC=0.33 CJE=1.5E-10 VJE=0.75 MJE=0.33 CJC=2.4E-10 VJC=0.75 MJC=0.37 CJS=2E-12 VJS=0.75 MJS=0.5 FC=0.5 TF=1.56E-9 XTF=1.5 VTF=100 ITF=0.5 TR=5.3E-08 XTB=2)

Если использовался файл с уже собранной схемой, то следует тщательно проверить совпадение параметров математических моделей БТ этой схемы с параметрами в приведённом выше тексте.

2.1.2. Определение постоянных напряжений, токов и мощностей в УМЗЧ

Для определения постоянных напряжений и токов в схеме Рис. 2.3 следует перейти в режим анализа схем по команде главного меню Analysis и в открывшемся окне видов анализа выбрать команду Dynamic DC - Рис. 2.4.

Будет запущен режим анализа схемы по постоянному току. Если в исходном состоянии напряжение в узлах не показывалось (Рис. 2.5), то в результате

5

анализа в окнах номеров узлов автоматически появятся значения постоянных напряжений - Рис. 2.6 (обратите особое внимание на то, что анализ схемы проводится методом узловых потенциалов). Для большей

Рис. 2.4

Рис. 2.5 Рис. 2.6

иллюстративности номера узлов целесообразно убрать, нажав кнопку с

останутся лишь значения напряжений в них относительно «земли» - Рис. 2.8. Эти напряжения следует занести в Табл. 2.1. Если в узле № 2 (см. Рис. 2.3, Рис. 2.6 и Рис. 2.8) значение напряжения не будет соответствовать Еп (V2=24v), то следует проверить и отредактировать схему.

Рис. 2.7

6

Проставьте размерность напряжений в Табл. 2.1, а саму таблицу приведите в отчёте.

Рис. 2.8

Таблица 2.1

Постоянные напряжения в усилителе Рис. 2.3

Далее для определения постоянных токов в схеме УМЗЧ Рис. 2.3 целесообразно убрать показ значений напряжений в окнах узлов, выключив

кнопку с индексом 13 (Рис. 2.7), а затем включить кнопку показа постоянных токов в ветвях схемы (Рис. 2.7). В результате в окнах узлов появятся значения величин токов ветвей (Рис. 2.9). Обратить внимание на то, что программа показывает не только значения величин токов, но и направление их протекания.

7

Рис. 2.9

Значения основных токов нужно занести в Табл. 2.2 и привести в отчёте. Указать, равен ли ток I(V2) сумме остальных токов.

Таблица 2.2

Постоянные токи в усилителе Рис. 2.3

Для определения мощностей, рассеиваемых на элементах схемы УМЗЧ Рис. 2.3, следует выключить кнопку показа постоянных токов и включить кнопку показа мощностей, рассеиваемых на элементах схемы (см. Рис. 2.7). В окнах около компонентов схемы (вместо окон номеров узлов) появятся значения рассеиваемых мощностей PD элементов и отдаваемых мощностей источников питания PG – (Рис. 2.10). Рассеиваемые мощности компонентов схемы Рис. 2.3 занести в Табл. 2.3.

Рис. 2.10

8

Таблица 2.3

Мощности элементов усилителя Рис. 2.3

Указать, равна ли мощность, отдаваемая источником питания pg(V2), сумме мощностей, рассеиваемых на элементах схемы Рис. 2.3.

2.1.3. Определение коэффициентов усиления и граничных частот УМЗЧ

Под коэффициентом усиления напряжения понимается отношение напряжения на нагрузке V(Rn) к напряжению на входе усилителя V(7), т.е. в

данном случае Ku(f)=V(Rn)/V(7) (см. Рис. 2.3). Для его получения следует перейти в режим анализа схем командой Analysis главного меню (левая стрелка на Рис. 2.11) и выбрать анализ схем по переменному току АС… (правая стрелка на Рис. 2.11).

На экране монитора появится окно пределов анализа (Рис. 2.12). Проверьте, чтобы обозначения и значения переменных в окне пределов анализа на экране совпадали с величинами переменных на Рис. 2.12.

Рис. 2.11

Для получения Ku(f), то есть амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) УМЗЧ по схеме Рис. 2.3, следует провести анализ схемы по команде Run (слева вверху в окне пределов анализа Рис. 2.12).

Рис. 2.12

9

Рис. 2.13

На графике результатов анализа, приведённом на Рис. 2.13, в режиме двух курсоров (см. пункты 2.1.1 и 2.1.2 Части 1 Сборника компьютерных лабораторных работ для студентов магистратуры [3], а также [4; 5]) следует

найти Kuср в области средних частот и граничные частоты Fнч для Мнч = 3dB и Fвч для Мвч = 3dB (Рис. 2.13). График АЧХ и отмеченные на нём значения

Fнч и Fвч поместить в отчёт.

На этом же графике следует получить сквозную амплитудно-частотную характеристику KE(f) = V(Rn)/V(8) – стрелка на Рис. 2.12. По сквозной АЧХ

также следует найти К*uср = KEср , F*нч для М*нч =3dB и F*вч для М*вч =3dB (см. указатели со стрелками на Рис. 2.13 – эти указатели обычно дают менее

точные значения по сравнению с курсорами). Полученные значения занести в Табл. 2.4 и Табл. 2.5. Амплитудно-частотную характеристику и сквозную амплитудно-частотную характеристику поместить в отчёт. Обратить внимание на отличие АЧХ Ku(f)=V(Rn)/V(7) от сквозной АЧХ KE(f) = V(Rn)/V(8) и объяснить это отличие.

Самостоятельно продумать и провести определение коэффициента передачи входной цепи усилителя Kuвх = V(7)/V(8), коэффициента усиления первого

10