Часть 2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

УТВЕРЖДАЮ:

Проректор по учебной работе

_____________ Е.А. Малыгин

В.Т. Шнырев Г.Л. Штрапенин

Электроника и схемотехника

Екатеринбург

2010

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

В.Т. Шнырев Г.Л. Штрапенин

Электроника и схемотехника

Раздел "Аналоговые устройства"

Методическое руководство к лабораторным работам

Екатеринбург

2010

УДК 621.3 Ш-76

Руководство составлено в соответствии с учебным планом дисциплины «Электроника» для студентов всех форм обучения специальности190402 "Автоматика, телемеханика и связь", а также дисциплин «Электроника» и «Основы схемотехники» для студентов специальности 220401 «Мехатроника» и содержит теоретические сведения и указания по выполнению лабораторных работ на специализированных стендах и в программе моделирования электронных схем

Multisim.

Руководство может быть использовано на аудиторных занятиях и для самостоятельной работы студентов.

Методическое руководство рекомендовано к опубликованию на заседании кафедры «Электрические машины» « ___ » __________ 20 ___ года, протокол № ___.

ã Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2010

3

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум является очень важным элементом изучения электроники, поскольку только в ходе выполнения лабораторных работ и обсуждения их результатов у студентов формируется достаточное понимание предмета и навыки работы с электронными компонентами и устройствами.

Данное руководство составлено в соответствии с учебным планом дисциплины "Электроника" для студентов всех форм обучения специальности2107 "Автоматика, телемеханика и связь" и содержит теоретические сведения и указания по выполнению шести лабораторных работ с использованием специализированных лабораторных стендов, выпускаемых промышленностью, и (или) программы моделирования электронных схемMultisim. Как правило, для изучения предлагается несколько устройств, из которых по указанию преподавателя могут быть выбраны наиболее соответствующие объему часов, а также тематике и уровню преподавания.

При дистанционном и заочном обучении, а также в филиалах головного вуза, когда нет возможности работать на специализированных стендах, занятия могут проводиться в компьютерных классах с использованием программы моделирования электронных схемMultisim. Следует отметить, что хотя замена изучения реальных электронных устройств их компьютерным моделированием не является полностью адекватной, однако, в реально существующей ситуации проведение лабораторных работ при использовании соответствующих моделирующих программ существенно повышает эффективность учебного процесса при не стационарных формах обучения.

Отличительной особенностью программыMultisim фирмы National Instruments является своеобразный интерфейс, выполненный таким образом, что для анализа электронных схем, введенных графически в соответствии с ЕСКД, возможно использование виртуальных измерительных приборов: мультиметра, осциллографа, функционального генератора, логического анализатора и др.

Внешний вид приборов и органы управления ими максимально приближены к настоящим, а измерения производятся путем подключения приборов в схему и снятием с них показаний точно так же, как это делается при анализе реальных устройств.

Накопленный опыт использования программы показал, что необходимые для выполнения заданий лабораторного практикума навыки работы приобретаются студентами в течение первых двух учебных часов, а при наличии опыта работы с электро- и радиоизмерительными приборами – еще быстрее. Таким образом, программа Multisim наилучшим образом подходит для организации виртуального лабораторного практикума.

Перед выполнением цикла лабораторных работ студенты должны ознакомиться с устройством стенда (если таковой имеется) и (или) программой моделирования Multisim. Перед выполнением каждой лабораторной работы следует изучить ее описание и, используя лекционный материал и рекомендуемую литературу, сдать теоретический коллоквиум или выполнить тестовое задание

4

по соответствующей теме. По результатам выполнения лабораторной работы студентом составляется предварительный отчет, который в конце занятия подписывается преподавателем. Для заключительной защиты студент должен представить окончательный отчет, содержание которого конкретно указано в описании каждой лабораторной работы. Особое внимание следует уделить оценке полученных результатов, что должно быть отражено в выводах, а также ответам на контрольные вопросы.

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

1.1.Цель работы: изучение схемы, принципа работы и основных показателей резистивных усилителей звуковой частоты(УЗЧ) на транзисторах, исследование амплитудно-частотной характеристики УЗЧ при изменении параметров схемы.

1.2.Краткие сведения из теории

УЗЧ предназначен для усиления сигналов в диапазоне звуковых частот от 20 Гц до 20 кГц.

Наиболее часто используются резистивные УЗЧ, собранные на транзисторах по схеме с общим эмиттером(рис. 1.1). В качестве нагрузки в цепь коллектора УЗЧ включается резисторR3. Смещение на базу для обеспечения заданного режима работы устанавливается с помощью делителяR1, R2 от источника питания Еп. В схеме используется температурная стабилизация рабочей точки. С этой целью в цепь эмиттера включен резисторR4. Сопротивление Zвх представляет эквивалентное входное сопротивление следующего каскада. Разделительные конденсаторы С1 и С3 не пропускают постоянную составляющую тока в соответствующую цепь, С2 блокирует переменную составляющую тока эмиттера.

Рис. 1.1. Резистивный УЗЧ

Рассмотрим основные показатели качества работы УЗЧ. Поскольку задачей УЗЧ является усиление амплитуды колебания звуковой частоты, то глав-

6

ным показателем является коэффициент усиления по напряжению, равный отношению амплитуд выходного и входного напряжений

В общем случае коэффициент усиленияК – величина комплексная, что объясняется наличием в схеме УЗЧ частотно-зависимых элементов.

Аргумент j определяет сдвиг по фазе выходного напряжения относительно входного.

Процесс усиления сопровождается появлением линейных(частотных и фазовых) и нелинейных искажений. Искажения выходного сигнала, вызванные неодинаковым усилением отдельных гармонических составляющих спектра входного сигнала, называются частотными и оцениваются коэффициентами частотных искажений Мн и МВ, на нижней и на верхней частотах усиливаемого диапазона соответственно.

М н = Кср , М в = Кср

Кн Кв

где Кср – коэффициент усиления в области средних частот, где он не зависит от частоты, Кн, Кв – значения коэффициентов усиления на нижней и верхней частотах диапазона.

Для оценки частотных искажений снимается амплитудно-частотная -ха рактеристика УЗЧ (рис. 1.2), которая представляет зависимость коэффициента усиления от частоты при постоянной амплитуде входного сигнала Uвх = const.

К

Рис. 1.2. Частотная характеристика УЗЧ

Идеальный усилитель имеет одинаковый коэффициент усиления на рабочем участке частот Fн...Fв (кривая а на рис. 1.2). В реальной схеме УЗЧ имеются

7

реактивные элементы (в нашем случае – емкости), которые обусловливают спад частотной характеристики в области нижних частот за счет увеличения сопротивления разделительных конденсаторов С1 и С3 и в области верхних частот за счет уменьшения сопротивления емкостной составляющей входного сопротивления Zвх следующего каскада (кривая б на рис. 1.2). В этом случае рабочий

диапазон частот определяется при спаде усиления не более чем в 2 раз. Нелинейными искажениями сигнала называют изменения его формы, вы-

званные наличием нелинейных элементов в схеме усилителя(транзисторов, ламп и т.п.).

В отличие от частотных нелинейные искажения приводят к появлению в спектре выходного сигнала новых частотных составляющих, которых не было в спектре входного сигнала. Для оценки нелинейных искажений служит коэффициент гармоник

Здесь U1, U2, ... Un – амплитуды соответствующих гармоник выходного сигнала при синусоидальном входном напряжении.

Усилительные свойства УЗЧ и степень нелинейных искажений позволяет оценить амплитудная характеристика – зависимость амплитуды напряжения на выходе усилителя Uвых от амплитуды входного сигнала Uвх при постоянной его частоте (обычно средней частоте усиливаемого диапазона(рис. 1.3). В идеальном УЗЧ амплитудная характеристика имеет вид прямой линии(линия а на рис. 1.З), тангенс угла наклона которой равен коэффициенту усиленияК (tga = К). В реальном УЗЧ при больших амплитудах входного сигнала начинает проявляться нелинейность вольтамперных характеристик транзистора, и нарушается пропорциональная зависимость междуUвых и Uвх и в амплитудной характеристике появляется изгиб (кривая б на рис. 1.3).

Рис. 1.3. Амплитудная характеристика УЗЧ

8

При малых амплитудах входного сигнала(Uвх<Uвх min) значительное влияние оказывают шумы усилителя, и полезный сигнал трудно выделить на их фоне. Таким образом, линейный рабочий участок АВ амплитудной характеристики определяет динамический диапазон усиливаемых сигналов.

Схема лабораторной установки

На рис. 1.4 изображена принципиальная схема исследуемого усилителя, а на рис. 1.5 – функциональная схема установки для исследования влияния параметров схемы усилителя на его амплитудно-частотную характеристику.

Рис. 1.4. Принципиальная схема исследуемого УЗЧ

Рис. 1.5. Структурная схема установки для изучения УЗЧ

1.3.Порядок выполнения работы

–Соберите схему согласно рис. 1.4 и 1.5.

–Включите тумблер "Сеть" базового блока.

–Установите частоту генератора сигналов (ГС) 1000 Гц.

–Установите рабочее смещение на базе VT 1, соответствующее середине линейного участка ВАХ. С этой целью:

–подключите осциллограф к входу усилителя;

–установите на ГС амплитуду напряжения Uвх»0,5 В;

9