
ПОСОБИЕ ПО ЛАБАМ СФУ
.pdf
В установке можно наблюдать нестационарные процессы во времени и на фазовой плоскости.
Рисунок 7.4 Передняя панель установки для выполнения лабораторной работы № 7
Длительность прямоугольных импульсов и частота повторения подобраны так, что переходные процессы в автогенераторе, вызванные коммутацией напряжения питания коллекторной цепи, успевают закончиться до следующей коммутации.
Ручкой «Uб0 — смещение» можно плавно изменять напряжение смещения, которое измеряется вольтметром базового устройства, имеющим шкалу, рассчитанную на 1В (рисунок 7.4).
В установке величина коэффициента обратной связи изменяется за счет перемещения катушки связи Lc.
С помощью |
тумблера «Сопротивление Rш » |
параллельно |
||
колебательному |
контуру |
может |
подключаться |
шунтирующее |
сопротивление.
В установке гнезда Г1 используются для подключения внешнего воздействия, гнезда Г2 — для его измерения с помощью внешнего вольтметра. К гнездам Г4 и ГЗ подводятся переменное напряжение с коллектора транзистора и напряжение обратной связи соответственно.
К гнездам Г5 подводится импульсный сигнал, используемый для внешней синхронизации и управления яркостью осциллографа. Гнезда Г6, расположенные на правой боковой панели сменного устройства,
используются только при наблюдении фазовых портретов автогенератора, к ним подводится продифференцированное коллекторное напряжение.
Домашнее задание
1)Изобразить принципиальную схему LC-автогенератора, исследуемого в работе.
2)Пользуясь колебательными характеристикамиUкт (U6m) при Uб0 = 0,4 В; 0,6 В; 0,8 В, рассчитанными при выполнении п. 2 домашнего задания к работе № 10, определить критическое значение коэффициентов обратной связи, необходимых для возникновения и срыва колебаний,
рассчитать соответствующие этим коэффициентам обратной связи
величины |
взаимной |
индуктивности. |
Параметры контура |
L*, f р*, р*, Q* |
приведены в таблице |
заданий. |
|
|
Построить графики зависимости амплитуды стационарных колебаний от коэффициента обратной связи для указанных смещений.
3) Изобразить принципиальную схему для исследования действия внешней гармонической э.д.с. на автогенератор.
Рассчитать относительную и абсолютную ширину полосы захватывания для отношений амплитуды внешней э.д.с. к амплитуде автоколебаний на базе транзистора автогенератора, равных 0,2; 0,4; 0,6;
0,8 В. |
|
|
|
|
|
Построить график |
зависимости генерируемой |
частоты |
ωГ от |
||
частоты ωс вынуждающей э.д.с. |
|
|
|
||
Начертить график зависимости частоты биений | ωГ — ωс |
| от |
||||
частоты вынуждающей э. д. с. |
|
|
|
||
4) Рассчитать время установления колебания в автогенераторе при |
|||||
Uб0 = 0,8 В и М = 1,5 Мкр для двух случаев: |
|
|
|||
а) |
параметры |
контура |
автогенератора |
соответствуют |
|
приведенным в п. 2; |
|
|
|
|
|
б) |
контур автогенератора шунтируется резистором Rш = 10 кОм. |
Начертить схему для исследования автогенератора в нестационарном режиме.
5) Изобразить фазовые портреты автогенератора в мягком и жестком режимах самовозбуждения.
Лабораторное задание и методические указания
1) Определить экспериментально коэффициенты обратной связи, соответствующие различным расстояниям между катушками.
1.1) Собрать схему исследования.
Установить переключатель «Род работы» в положение 1 — «ОС Выкл.»
Подключить к гнездам Г1 генератор высокой частоты; к гнездам Г4 и Г2 внешние вольтметры.
1.2) Настроить схему в резонанс изменением частоты генератора, предварительно установив U6o = 0,8 В, U6m= 100 мВ.
1.3) Для измерения напряжения обратной связи от ключить внешний вольтметр от гнезд Г2 и подключить к гнездам ГЗ.
1.4) Изменяя амплитуду выходного напряжения генератора высокой частоты, добиться, чтобы напряжение на контуре, измеряемое вольтметром, подключенным к гнездам Г4, равнялось 1 В.
1.5) Снять зависимость напряжения обратной связи Uβ от расстояния между катушками l .
При UK = 1 В Uβ в вольтах численно равно коэффициенту обратной связи β .
Построить график зависимости β (l) .
2) Снять зависимость амплитуды генерируемых колебаний от коэффициента обратной связи при Uб0 = 0,8, 0,6 и 0,4 В.
2.1) Перевести переключатель «Род работы» в положение 2 — «ОС Вкл.», отключить вольтметр, подключенный к гнездам ГЗ.
2.2) Снять зависимость U Г ( l ), фиксируя напряжение на контуре автогенератора (гнезда Г4) при уменьшении и увеличении расстояния между катушками.
Заметить расстояния, соответствующие возникновению и срыву колебаний в автогенераторе.
Если при максимальном коэффициенте обратной связи автогенератор не возбуждается, следует добиться возникновения колебаний, изменяя напряжение смещения, а затем установить требуемое смещение и снять зависимость U Г ( l ), уменьшая расстояние между катушками.
2.3) Построить Ur ( β ), пользуясь графиком β (l) , полученным в п. 1.5 лабораторного задания.
3)Исследовать действие внешней гармонической э. д. с. на автогенератор при Ес = 0,2 U6; Ес = 0,4 U6;Ес = 0,6 U6; Ес = 0,8 U6.
3.1) Перевести переключатель «Род работы» в положение 3 — «Синхронизация». Подключить вольтметр к гнездам Г2 для контроля напряжения на базе свободного автогенератора. Электронный осциллограф подключить к гнездам Г4.
Ручку потенциометра, регулирующую выходное напряжение генератора высокой частоты, перевести в крайнее левое положение.
3.2) Установить Uб0 = 0,6 В и β = 1,5 βкр при Ес = 0. Измерить напряжение на базе транзистора U6 (гнезда Г2).
3.3) Определить абсолютную ширину полосы захватывания для
Ес= 0,2 U6; Ес = 0,4 U6; Ес = 0,6 U6; Ес = 0,8 U6.
Изменяя частоту генератора высокой частоты, по осциллограмме выходного напряжения определить частоты, соответствующие границам полосы захватывания. Вне полосы захватывания имеет место режим биений, что заметно по осциллограмме и к.
3.4) Повторить исследования в том же порядке, зашунтировав контур автогенератора сопротивлением Rm = 10 кОм. После окончания исследования сопротивление шунта отключить.
4) Исследовать автогенератор в нестационарном режиме при U6o = 0,8 В. Зарисовать временные диаграммы напряжения на контуре при различных значениях β .
4.1) Переключатель «Род работы» перевести в положение 4 — «Нестационарн. режим». Отключить вольтметр от соответствующих гнезд.
Подключить вход внешней синхронизации и Z-вход осциллографа к гнездам Г5.
Засинхронизировать изображение на экране осциллографа. Регулируя усиление Z канала, установить яркость, достаточную для
затемнения промежутков времени, в течение которых задаются начальные условия.
Получить неподвижную осциллограмму напряжения на контуре в нестационарном режиме.
4.2) Снять зависимость времени установления колебаний от β при β > β кр. Измерить время установления при β = 1,5 β кр.
Для измерения следует определить число высокочастотных колебаний в промежутке времени, в течение которого их амплитуда увеличивается до 0,9 стационарного значения.
Зарисовать осциллограмму напряжения на контуре при β > β кр. 4.3) Снять зависимость времени затухания от β при β < β кр
Для измерения времени затухания следует определить число высокочастотных колебаний в промежутке времени, в течение которого их амплитуда затухает до 0,1 начального значения.
Зарисовать осциллограмму напряжения на контуре при β < β кр.
4.4) Повторить исследования в том же порядке, зашунтировав контур
автогенератора сопротивлением Rш = 10 кОм.
5) Исследовать нестационарный режим автогенератора на фазовой плоскости. Зарисовать фазовые траектории, соответствующие смещениям U6o = 0,8 В; 0,6 В; 0,4 В и различным значениям β .
Установить смещение и коэффициент обратной связи.
Подключить X, Y и Z — входы осциллографа к гнездам Г4, Г6 и Г5 соответственно. Выключить развертку осциллографа. Получить фазовую траекторию, подобрав удобное для наблюдения усиление X, Y и Z каналов осциллографа.
Указания к отчету
Отчет должен содержать:
1)принципиальные схемы для экспериментального исследования автогенератора;
2)расчеты, проведенные при выполнении домашнего задания;
3)таблицы, графики и осциллограммы, полученные при выполнении лабораторного задания;
4)выводы и оценку полученных результатов.
Вопросы для самопроверки
1)В чем сущность квазилинейного метода?
2)Как учитывается нелинейность элементов схемы при квазилинейном
методе?
3)Какие характеристики и параметры нелинейного элемента по первой гармонике используются в этом методе?
4)Дайте определение колебательной (амплитудной) характеристики.
5)Поясните методику экспериментального снятия колебательных (амплитудных) характеристик автогенератора.
6)Чем определяется возможный режим самовозбуждения автогенератора?
7)Приведите колебательные и амплитудные характеристики,
соответствующие различным напряжениям смещения на базе транзистора автогенератора.
8)Каковы условия стационарности колебаний в автогенераторе?
9)Как определяются амплитуда генерируемых колебаний и их устойчивость по колебательным (амплитудным) характеристикам?
10)Охарактеризуйте особенности жесткого и мягкого режимов самовозбуждения.
11)Поясните зависимость амплитуды генерируемых колебаний от коэффициента обратной связи в жестком и мягком режимах самовозбуждения.
12)Как изменится вид зависимости амплитуды генерируемых колебаний от коэффициента обратной связи, если контур автогенератора зашунтировать активным сопротивлением?
13)Нарисуйте и объясните зависимость амплитуды генерируемых колебаний от величины шунтирующего сопротивления и величины емкости контура (при фиксированных значениях взаимной индуктивности напряжения смещения).
14)Поясните явление захватывания частоты при действии внешнего возбуждения на автогенератор.
15)Изобразите и поясните зависимость частоты биений от частоты внешнего возбуждения.
16)Нарисуйте и поясните зависимость частоты генерации от частоты внешнего возбуждения.
17)Как изменяется ширина полосы захватывания с увеличением амплитуды внешней э. д. с, амплитуды автоколебаний и добротности контура?
18 От чего зависит время установления колебаний в автогенераторе?
19) Как зависит время установления колебаний в автогенераторе от добротности контура, величины взаимной индуктивности, начальной амплитуды колебаний?
20 Изобразить фазовый портрет автогенератора в мягком и жестком режимах.
Лабораторная работа № 8
Параметрическое усиление колебаний
Цель работы — исследование физических процессов в одноконтурном параметрическом усилителе (ПУ). В работе изучается влияние амплитуды, частоты и фазы напряжения накачки на усилительные свойства схемы, снимаются частотные и амплитудные характеристики параметрического усилителя.
Основные обозначения, расчетные формулы и определения
Анализ энергетических соотношений в последовательном колебательном контуре с параметрической емкостью с помощью теоремы Мэнли и Роу показывает, что в такой системе возможно регенеративное усиление, при котором энергия источника, модулирующего емкость (источника накачки), преобразуется в энергию усиленного колебания.
Коэффициент усиления такого одноконтурного параметрического усилителя, настроенного в резонанс на частоту сигнала,
Ê = Qý = |
ρ |
, |
(8.1) |
|
|||
|
r + râí |
|
|
где ρ – характеристическое сопротивление контура; |
r — |
сопротивление потерь в контуре; rвн – сопротивление, вносимое в контур источником накачки.
Синхронный режим усиления характеризуется следующим соотношением частот сигнала и накачки:

2ω с = ω н . |
(8.2) |
Пусть ток в контуре ПУ изменяется по закону
i = I cos(ωct +ϕc ) |
(8.3) |
Тогда заряд на емкости определяется выражением
q = ò i dt, |
(8.4) |
где Q = I ω c .
Если в синхронном режиме емкость изменяется по гармоническому
закону |
|
||
C (t ) = C 0 [1 + m sin (ω н t + ϕ н ) ] , |
(8.5) |
||
то в контур вносится сопротивление |
|
||
râí = − |
mρ |
cosα, |
(8.6) |
|
|||
2 |
|
|
где α = ϕн − 2ϕс – начальный фазовый сдвиг; т – коэффициент вариации емкости.
Всинхронном режиме ПУ обладает свойством фазовой
избирательности: при синфазной |
накачке α = 0 |
вносимое сопротивление |
||
отрицательно: |
|
|
|
|
rв н = − |
m ρ |
, |
(8.7) |
|
2 |
||||
|
|
|
а коэффициент усиления при ωс = ωр , определяемый выражением (8.1), максимален:
Ê = Q = |
Q |
; |
(8.8) |
|
|||
ý |
1−m mêð |
|

при противофазной накачке α = π вносимое сопротивление положительно:
rв н = m ρ 2 , |
(8.9) |
а коэффициент усиления минимален:
Ê = Q = |
Q |
; |
(8.10) |
|
1+m mêð |
||||
ý |
|
|
||
при нейтральной накачке −α = π 2 , |
rвн = 0, К = Q . В выражениях |
|||
(8.8) и (8.10) Q –добротность контура, |
mкр – критический коэффициент |
|||
вариации емкости: |
|
|
|
|
mкр = 2 Q . |
|
(8.11) |
||
При т > mкр в параметрическом усилителе возникает генерация |
||||
колебаний. |
|
|
|
|
В асинхронном режиме |
|
|
|
|
ωí = 2ωñ ± W. |
|
(8.12) |
Вносимое сопротивление и коэффициент усиления ПУ определяются выражениями
r = - |
mρ |
cos(Wt +α), |
|
(8.13) |
||||
|
|
|
||||||
âí |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
Ê = |
|
|
|
|
|
Q |
. |
(8.14) |
|
|
|
m |
cos(Wt +α) |
||||
1- |
|
|
|
|||||
|
m |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
êð |
|
|
|
Как видно из (8.14), коэффициент усиления в асинхронном режиме является периодической функцией времени с периодом 2πW и принимает
значения в пределах
|
Q |
³ Ê ³ |
|
Q |
(8.15) |
|
|
|
|
. |
|||
|
1- m m |
1+ m m |
||||
êð |
|
êð |
|
|
Описание лабораторной установки

Передняя панель сменного устройства установки для выполнения лабораторной работы представлена в лабораторной работе № 7. Используя переключатель “Режим работы”, осуществляют выбор необходимого режима.
В сменном устройстве находятся параметрический контур и несколько вспомогательных схем, реализующих возможности установки.
Параметрический контур собран по балансной схеме для исключения напряжения накачки на выходе.
Домашнее задание
1)Начертить принципиальную схему одноконтурного ПУ с варикапом.
2)Изобразить временные диаграммы i(t), q(t), C(t), определяемые
выражениями (8.3), (8.4), (8.5) для синхронного синфазного режима при ϕн = 0
и ϕс = 0 ; для синхронного противофазного режима при ϕн |
= 0 и 2ϕс = π . |
|
||||
3) |
Рассчитать и построить зависимость К (т/ткр) |
для |
α = 0,α = π |
и |
||
α = π 2 |
при ωс = ωр , задаваясь значениями т/ткр, равными 0; |
0,1; 0,2; |
...; |
|||
0,9; 1. |
|
|
|
|
|
|
|
æ f c |
- f p |
ö |
|
|
|
4) |
Привести частотные характеристики ПУ К çç |
|
|
÷÷ |
для режимов |
|
|
f p |
|||||
|
è |
|
ø |
|
|
синхронной синфазной, противофазной и нейтральной накачки при т/ткр = 0,5,
предварительно рассчитав К при fc = f p и относительную полосу пропускания контура ПУ.
5) Изобразить амплитудные характеристики ПУ в синхронном режиме при т/ткр = 0,5 для α = 0, α = π и α = π2 .
6) Изобразить зависимость К(t) в асинхронном режиме при ωc = ωp .
Лабораторное задание и методические указания
1) Снять зависимость выходного напряжения от напряжения накачки Uвых (Uн ) при Е = -2В, Uн = 0,1 В, Uc = 20 мВ и fc = f p для а) режима синхронной синфазной накачки; б) режима синхронной противофазной накачки.
1.1) Собрать схему исследования. Подключить лабораторный генератор (выход «0,1–1В») к гнездам Г2, Y-вход осциллографа — к гнездам ГЗ, один
милливольтметр подключить к входным клеммам усилителя вертикального