Электрорадиотехнологии (лабораторный практикум). Ч.2. Учебно-методическое пособие

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Настройка и исследование симметричной связанной колебательной системы в полосовом усилителе

Цель работы: ознакомиться с приемами настройки симметричной двухконтурной системы с трансформаторной связью. Получить ее основные характеристики при различных степенях связи. По частотным характеристикам коэффициента передачи определить основные параметры системы. Выяснить влияние входных характеристик измерительных приборов на настройку системы.

Сведения из теории

Каскады селективных полосовых усилителей радиотехнической аппаратуры содержат обычно два или более связанные между собой LC-контура, которые формируют требуемую АЧХ устройства.

Колебательные контуры называют связанными, если энергия из одного переходит в другой через общее сопротивление, электрическое или магнитное поле. В соответствии с этим могут быть различные виды связи: гальваническая, емкостная и индуктивная, или комбинированная, сочетающая одновременно несколько видов связи. В зависимости от способа включения элемента связи она может быть внешней или внутренней.

Величина элемента связи определяет мощность, передаваемую из предыдущего контура в последующий. Для энергетической оценки связи между контурами используют понятие — коэффициент связи. Различают следующие степени связи: слабую, критическую и сильную. Степень связи обычно регулируется элементом связи.

Рассмотрим процессы, происходящие при передаче сигнала из одного контура в другой. Воспользуемся наиболее часто применяемой двухконтурной связанной системой (рис. 2.1). Для упрощения рассуждений, будем полагать, что система на рис. 2.1 симметрична, т. е. L1 = L2 = L, C1 = C2 = C, R1 = R2 = R. В первичный контур включен генератор переменного тока с частотой ωр, напряжением Ur.

Коэффициент связи между контурами kсв показывает отношение фактически наведенной ЭДС U12 к максимально возможной наведенной ЭДС U12max во втором контуре. В случае индуктивной связи

21

U12 =I1wM , где М — коэффициент взаимной индукции, а максимальная ЭДС получается при предельном Мmax, когда весь магнитный поток первой катушки пронизывает витки катушки L2.

Рис. 2.1. Индуктивно связанные контуры

При этом в случае симметричной системы очевидно, что L1 = M = L2 = L, т. е. U12max I1 M max L (для ассиметричной системы M max L1L2 ). Поэтому

Рассмотрим сначала процессы в связанной системе при работе генератора на резонансной частоте контуров ω = ωр1 = ωр2. Векторная диаграмма токов и напряжений в контуре 1 изображена на рис. 2.2а. Поскольку на резонансной частоте UC1 = UL1, то на диаграмме U r UC1 U L1 U r U r . ЭДС, наводимая во втором контуре U12 определяется аналогично ЭДС самоиндукции U21, поэтому она совпадает по направлению с UL1 (рис. 2.2а) и в то же время для второго контура служит источником сигнала, т. е. напряжением генератора U12 = Ur2. Очевидно, что векторная диаграмма второго контура аналогична диаграмме первичного контура. Она изображена на рис. 2б и получена путем параллельного переноса вектора U12.

Ток I2, протекающий во втором контуре, приведет к возникновению ЭДС взаимной индукции U12 в первичном контуре, направленной вдоль U12 (рис. 2.2б), т. е. против Ur на рис. 2.2а, уменьшая его действие.

22

Рис. 2.2. Векторные диаграммы токов и напряжений в связанных симметричных контурах

на резонансной частоте

Новое уменьшенное значение тока I1*, может быть определено с учетом изменения напряжения в первом контуре Ur* = Ur – U21 или же введением дополнительного сопротивления R* при неизменном Ur.

На резонансной частоте вносимое сопротивление R* является чисто активным. Оно определяется параметрами контура и степенью связи

где ρ — волновое сопротивление, Q — добротность контура.

Таким образом, влияние второго контура сводится к внесению в первичный контур сопротивления R*.

Энергия, передаваемая во вторичный контур, эквивалентна энергии, выделенной на R*. Очевидно, что максимум передачи энергии будет при R* = R, а соответствующий коэффициент связи называется крити-

ческим.

Это обстоятельство позволяет экспериментально устанавливать оптимальную связь между контурами связанной системы, при которой передаваемая энергия и напряжение на вторичном контуре максимальны.

23

Рассмотрим теперь процессы в связанной системе на произвольной частоте ω ≠ ωр. Пусть ω < ωр. Векторные диаграммы токов и напряжений для данного случая, построенные аналогично рис. 2.2, приведены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Векторные диаграммы токов и напряжений в связанных симметричных контурах при ω < ωр

Теперь ток I1 и напряжение генератора Ur в первом контуре (рис. 2.3а) сдвинуты друг относительно друга на угол φ, а ЭДС взаимной индукции U12 по-прежнему направлена вдоль вектора UL1. Поскольку контуры одинаковы, то угол между I2 и U2 во втором контуре также равен φ (рис. 2.3б). ЭДС взаимной индукции U21, направлена вдоль UL2, но действующая в первом контуре, теперь имеет две составляющие (рис. 2.3а). Одна из них, U21R, направленная против UR1, стремится уменьшить активный ток в цепи, т. е. указывает на вносимое активное сопротивление R*, а другая составляющая, U21L, направлена против UL1 и указывает на вносимое индуктивное сопротивление ZL*.

Установим количественные соотношения в общем случае. Вносимое сопротивление R*, зависящее от U21R

где Z — полное сопротивление контура на частоте ω, оно зависит от частоты и принимает максимальное значение на резонансной частоте ω = ωр, соответствующее (2.4) вследствие уменьшения Z до значения

Z = R.

В свою очередь, вносимое индуктивное сопротивление ZL* определяется аналогично

24

и, в отличие от R*, имеет более сложную зависимость от частоты. Наконец, полное вносимое сопротивление:

Ситуация, когда ω ˃ ωр, может быть рассмотрена аналогично. Можно показать, что и для вносимого емкостного сопротивления

ZC* будут справедливы выражения (2.6)–(2.8).

Вносимые сопротивления, помимо изменения токов и напряжений в цепях первичного контура, приводят также и к сдвигу его резонанс-

Lв области

ω˂ ωр и эквивалентное увеличение индуктивности сопровождается уменьшением резонансной частоты первичного контура. В области

ω˃ ωр вносимое емкостное сопротивление ZC* эквивалентно уменьшению емкости и вызывает увеличение резонансной частоты контура. Положение этих резонансов может быть найдено по формуле

Таким образом, система связанных контуров формирует АЧХ, содержащую два резонанса ωр1, ωр2, которая при больших значениях коэффициента связи kСВ представляет двугорбую кривую (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Амплитудно-частотные характеристики связанных контуров при различных коэффициентах связи

Возможность получения АЧХ связанных контуров с регулируемой полосой пропускания обусловливает их широкое использование в полосовых усилителях (усилители промежуточной частоты радио- и телеприемников). Полосой пропускания системы связанных контуров называют полосу частот, в пределах которой амплитуда сигнала не падает

25

ниже 0,707 своей максимальной величины. С точки зрения экономичности устройства наиболее выгодной является критическая связь, при которой передаваемая во вторичный контур энергия максимальна, а АЧХ системы имеет также наилучшую почти прямоугольную форму

(рис. 2.4).

Практическая часть

В данной работе предлагается изучить свойства симметричной системы индуктивно связанных контуров в составе полосового усилителя и научиться настраивать контуры на требуемую АЧХ.

Принципиальная схема макета изображена на рис. 2.5. Полосовой усилитель построен на базе интегрального каскадного усилителя DА1, нагрузкой которого является первичный контур C1L1 симметричной индуктивно связанной системы.

Рис. 2.5. Принципиальная схема макета полосового усилителя на основе системы связанных контуров

Макет собран в унифицированном корпусе. На левой боковой стенке установлен разъем для подключения кабеля питания.

Каскадный усилитель представляет собой последовательное соединение по переменному току двух транзисторов (рис. 2.6). Входной

26

транзистор включен по схеме с ОЭ, выходной — по схеме с ОБ. Поскольку коэффициент усиления по току схемы с ОБ близок к 1, то такое соединение не дает выигрыша по усилению. Также отсутствует выигрыш и по входному и выходному сопротивлению. Однако каскадный усилитель обладает важным преимуществом — слабой связью между выходом и входом усилителя. Наличие в обычном каскаде с ОЭ СКБ между коллектором и базой приводит к появлению обратной связи между его выходом и входом. При определенных условиях, особенно в резонансных схемах, эта обратная связь может вызвать самовозбуждение усилителя или ухудшить его АЧХ.

Рис. 2.6. Схема каскадного усилителя

Хорошая развязка входа и входа в каскадном усилителе объясняется тем, что нагрузкой транзистора V1 является малое входное сопротивление транзистора V2, включенного по схеме с ОБ, т. е. транзистор V1 имеет небольшой коэффициент усиления по напряжению, а следовательно, мало и напряжение обратной связи через СКБ. Транзистор V2 дает значительное усиление по напряжению, но в нем вследствие заземленной по переменному току базы влияние выхода на вход ничтожно. Поэтому каскадные усилители нашли широкое применение, особенно в резонансных усилителях.

В макете использован интегральный усилитель К122УН2Б, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.7. Интегральная схема содержит усилительный каскад на транзисторе V1, собранный по схеме с ОЭ, и каскадный усилитель на транзисторах V2 и V3. В работе макета первый каскад усиления микросхемы используется только как режимозадающая цепь для транзисторов каскадной части, и поэтому база транзистора V1 по переменному току заземлена через внешнюю

27

емкость С4. Также заземлена через емкость СБ база транзистора V3, включенного по схеме с ОБ и входящего в состав каскадной схемы. Переменный сигнал через С3 подается сразу на базу V2, минуя V1, а в качестве нагрузки каскадной части микросхемы включен один из контуров связанной симметричной системы.

Рис. 2.7. Принципиальная схема интегрального усилителя К122УН2Б с внешними элементами

Питание микросхемы DА1 макета (рис. 2.5) стабилизировано параметрическим стабилизатором (V1R1), обеспечивающим нормальный режим работы усилителя в диапазоне напряжений (10–20) В.

Симметричная индуктивно связанная система состоит из контуров L2C2 и L1C1, причем каждый контур настраивается изменением соответствующих емкостей С1 и С2, а связь между контурами регулируется изменением расстояния между индуктивностями. Указатель «связь» на лицевой панели показывает расстояние между катушками индуктивности, которое может быть отрегулировано ручкой, расположенной на правой боковой стенке макета. Контур L2C2 является нагрузкой первичного контура в системе. Он может быть «отключен» размыканием перемычки 9–10.

28

Для контроля сигнала каждый контур имеет дополнительную обмотку связи с небольшим числом витков. Использование дополнительных обмоток позволяет без заметного нарушения настройки измерять сигналы в контурах высокочувствительными вольтметрами типа В3–38 и т. п., имеющими относительно большую входную емкость. Параметры контуров и других элементов макета приведены в табли-

це 2.1.

Задание I. Изучение макета.

Ознакомиться с принципиальной схемой макета, выяснить назначение элементов. Схему перерисовать в тетрадь. Установить слабую ( 45 мм) связь между контурами симметричной системы. С помощью высокочастотного измерителя индуктивностей и емкостей Е12–1А определить величину индуктивности L2 (L1 = L2) и емкостей C2min и С2max при двух крайних положениях ручки регулировки конденсатора переменной емкости (КПЕ). Вычислить среднегеометрическую емкость КПЕ и соответствующую ей резонансную частоту контуров.

Задание II. Получение АЧХ одиночного контура.

Измерения выполнить на первом контуре, предварительно настроив его в резонанс на частоту . Второй контур при этом должен быть разомкнут. Поскольку в разомкнутом контуре токи взаимной индукции возникнуть не могут, то влиянием на систему можно пренебречь.

Последовательность выполнения задания: подключить макет к стен- дуиподатьнапряжениепитания(10–15)В.ОтгенератораГ4–102 подать на вход макета синусоидальное напряжение (1–2) мВ частотой . Милливольтметр ВЗ-38 подключить к концам обмотки Lсв1 и, изменяя С1, настроить контур в резонанс, добиваясь максимума контролируемого напряжения. После этого снять АЧХ контура. (Подробная методика получения резонансных кривых АЧХ приведена в работе 1). По результатам построить АЧХ контура и определить его добротность. Вычислить активное сопротивление R катушки индуктивности L1 и волновое сопротивление контура. Полагая, что ЭДС на L1 возрастает про-

29

порционально числу витков, определить напряжение на нагрузке каскадного усилителя и вычислить его усиление на частоте f0.

Задание III. Произвести настройку связанных контуров и определить расстояние между индуктивностями, соответствующее критической связи.

Подать на вход усилителя напряжение (1–2) мВ частотой f0. Замкнув клеммы 9–10 подключить к системе второй контур. Вольтметр переключить к концам обмотки Lсв2. Добиваясь максимума выходного напряжения, настроить второй контур в резонанс на частоту f0. Затем, слегка регулируя С1, уточнить настройку первого контура и снова подстроить второй контур. Уточнение настройки таким способом повторить несколько раз, добиваясь все большего показания вольтметра. Помните, что от тщательности настройки контуров связанной системы будут зависеть форма графиков и качество работы полосового усилителя. Закончив настройку, получить зависимость напряжения на выходе второго контура от расстояния между контурами. Измерения производить через каждые 2 мм на резонансной частоте. Построить график зависимости , найти максимум выходного напряжения, который соответствует критической связи между контурами.

Задание IV. Получить зависимость вносимого сопротивления от расстояния между контурами.

На резонансной частоте энергия, передаваемая во вторичный контур, эквивалентна энергии, выделенной на вносимом сопротивлении

Таким образом, для нахождения вносимого сопротивления R* необходимо измерить напряжение U в первичном контуре, затемизмерить U0, разомкнув перемычку 9–10 и, зная активное сопротивление R контура (см. задание II), по формуле (2.10) вычислить R*. Заметим, что отношение напряжений в (2.10) можно заменить соответствующим отношением напряжений в обмотке Lсв1. Измерения и расчет R* произвести во всем диапазоне изменения l через каждые 2 мм. Результат представить графически.

30