Работа №3. Преобразование гармонического сигнала нелинейными элементами.

Цель работы заключается в том, чтобы исследовать преобразование гармонических сигналов нелинейным элементом, изменение формы сигнала и спектральных характеристик, а также изучить методику определения коэффициента нелинейных искажений.

Большинство радиотехнических преобразований осуществляется с помощью нелинейных элементов и устройств. Их характерной особенностью является способность трансформировать спектр входного сигнала, т.е. обогащать его, насыщая дополнительными гармоническими составляющими, которые отсутствуют на входе: постоянные составляющие, а также гармоники кратных и комбинационных частот. Используя фильтры, настроенные на те или иные частоты, выделяют интересующие в конкретном случае составляющие: кратных частот в умножителях, комбинационные при гетеродинном преобразовании и амплитудной модуляции. Трансформация является следствием того, что в случае нелинейных систем не справедлив закон суперпозиций.

В некоторых случаях нелинейные преобразования нежелательны и относятся к числу паразитных, вызывая искажения формы выходного сигнала по сравнению с входным. Такой случай может иметь место, например, в усилителях. Нелинейные искажения сигнала характеризуют количественно с помощью клирфактора:

Здесь - амплитуда основной гармоники анодного тока (ее частота совпадает с частотой входного сигнала); - амплитуды высших гармоник, частоты которых кратны основной. Эти искажения возникают при относительно большом уровне входного сигнала, когда рабочая точка смещается на нелинейный участок характеристики электронной лампы.

Содержание работы

Изучение теоретических основ преобразования сигналов нелинейными элементами.

Ознакомление с аппаратурой и макетом лабораторной работы.

Ознакомление с порядком проведения работы.

Снятие спектрограммы исследуемых сигналов.

Определение коэффициента нелинейных искажений по спектрограммам и методом “пяти ординат”.

Необходимые инструменты и приборы

Звуковой генератор типа ГЗ-34 (ГЗ-36).

Макет лабораторной работы.

Осциллограф типа С1-5.

Анализатор спектра и частотных характеристик типа АСЧХ-1 (СК4-3).

Краткое описание макета

Макет лабораторной работы состоит из однокаскадного усилителя напряжения на лампе 6Ж5Б, блока питания и измерительного устройства (см. рис. 3). Анодной нагрузкой лампы является активное сопротивление, величину которого модно менять. Смещение на управляющую сетку лампы подается от отдельного источника смещения. Величину смещения можно изменять, смещая тем самым рабочую точку.

Измерительное устройство представляет собой стрелочный прибор, который может измерять напряжение смещения и ток в анодной цепи лампы.

На вход лампы от генератора звуковой частоты подается синусоидальный сигнал.

Сопротивления анодной нагрузки имеют величину:

R1=150 кОм, R2=75 кОм, R3=18 кОм.

Методика измерений

При определении коэффициента нелинейных искажений необходимо иметь величины гармонических составляющих сигнала. Их можно найти из спектрограммы сигнала, замерив по сетке на экране АСЧХ-1.

Гармонические составляющие токов лампы (нелинейного элемента) могут быть найдены расчетным путем. Такая методика носит название метода “пяти ординат”. Для этого микроамперметром замеряют величину анодного тока в пяти точках динамической характеристики:

Где амплитуда входного сигнала рассчитывается по известному значению (эффективному значению, определяемому по вольтметру звукового генератора) (рис.4).

Далее амплитуды гармонических составляющих вычисляются по формулам:

(1)

Зная величины гармонических составляющих, рассчитывают коэффициент нелинейных искажений

(2)

Порядок проведения работы

1. Ознакомиться с правилами эксплуатации приборов.

2. Подключить звуковой генератор к входу макета. К выходу макета подсоединить анализатор спектра АСЧХ-1 и осциллограф.

3. Включить приборы и макет в сеть.

4. После прогрева приборов и макета настроить осциллограф и анализатор спектра.

5. Исследовать влияние положения рабочей точки лампы на форму выходного сигнала и его спектральные характеристики.

Для этого включить сопротивление нагрузки R1. Установить выходной сигнал генератора равным 30 мВ (“выходное сопротивление” равно 600 Ом; “внутренняя нагрузка” включена) с частотой 2.5-3.5 кГц. Прибор АСЧХ-1 переключить на частотный диапазон 20 кГц. Изменяя величину напряжения смещения, выбрать наиболее линейный участок на характеристике лампы. Определить его можно по форме выходного сигнала на экране осциллографа (отсутствие искажений) и по отсутствию высших гармоник на спектрограмме сигнала.

Далее увеличить напряжение входного сигнала до 300 мВ. Изменяя напряжение смещения от 0 до 5 В, проследить влияние положения рабочей точки на искажение сигнала и его спектральные характеристики. Установить связь между видом выходного сигнала (характером искажений), числом, номером и относительной величиной его гармонических составляющих.

Увеличив выходной сигнал до 1.5 В, выбрать смещение таким, чтобы происходило двухстороннее ограничение сигнала и просмотреть спектрограмму.

Выводы и спектрограмму с картинками исследованных сигналов занести в отчет.

6. Определить коэффициент нелинейных искажений каскада. Включить одно из сопротивлений R1, R2 или R3 (по указанию преподавателя). Выходное напряжение генератора установить равным 0.4 В (“выходное сопротивление” 5 Ом, “внутренняя нагрузка” включена). Напряжение смещения выбрать таким, чтобы выходной сигнал был слегка искажен. Записать величину .

По сетке на экране АСЧХ-1 замерить величины гармонических составляющих сигнала, установив ручками “делитель” и “усиление по вертикали” величину сигнала первой гармоники около 80 мм. Записать результаты измерений в табл.1. По формуле (2) рассчитать коэффициент нелинейных искажений каскада.

Таблица 1

Режим Ra= кОм, = В; =0.4 В.							Коэффициент нелинейных искажений
№ гармоники	1	2	3	4	5	6
Величина составляющей, мм

7. Произвести определение коэффициента нелинейных искажений методом “пяти ординат”. Для этого замерить величину анодного тока лампы для различных напряжений смещения при отключенном генераторе:

Результаты измерений занести в табл.2.

Таблица 2

	I	I/2	0	-I/2	-I

Пользуясь зависимостями (1) вычислить гармонические составляющие анодного тока , , и . По формуле (2) найти коэффициент нелинейных искажений. Сравнить результаты вычисления γ по различным методикам.

При определении принять =0.4 В

РАБОТА №4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ.

Цель работы заключается в том, чтобы ознакомиться с методикой определения амплитудно-фазовых характеристик линейной системы.

Одной из характеристик линейной системы является ее комплексный коэффициент передачи:

где - амплитудно-частотная характеристика; - фазочастотная характеристика.

АЧХ и ФЧХ устанавливают зависимость отношения амплитуд выходного и входного гармонических сигналов, а так же фазового сдвига между ними от частоты входного сигнала. В то же время характеризует и отношение комплексных спектров реакций системы и воздействия, если последнее имеет непериодический характер. Иначе говоря, с помощью можно исследовать как установившиеся, так и переходные колебания в линейной системе. Обращением по Фурье является импульсная переходная (весовая) функция системы.

т.е. ее реакция на воздействие в виде дельта-функции (практически на воздействие достаточно короткого импульса). Знание позволяет исследовать воздействие сигнала любого типа, в том числе и случайного, на линейную систему. При оптимизации (синтезе) радиотехнической системы представляет собой искомую характеристику этой системы. Частотные характеристики этой системы могут быть легко найдены, если имеется дифференциальное уравнение системы и, следовательно, известна передаточная функция.

Известно, что . Возможность определения АЧХ и ФЧХ экспериментальным путем является существенным достоинством частотного метода, являющегося одним из наиболее эффективных и распространенных на практике.

Системы, между АЧХ и ФЧХ которых имеется однозначная взаимосвязь, носят название минимально-фазовых. К их числу относится большинство реальных систем, в которых отсутствуют перекрестные связи.

Содержание работы.

Ознакомиться с теоретическими основами определения частотных характеристик линейной системы.

Ознакомиться с аппаратурой для снятия частотных характеристик и макетом лабораторной работы.

Снять частотные характеристики системы.

Необходимые инструменты и приборы.

Звуковой генератор типа Г3-34 (или Г3-36).

Макет лабораторной работы.

Фазометр типа Ф2-I.

Краткое описание макета.

Макет лабораторной работы содержит исследуемое устройство, измерительную схему и блок питания.

Устройство, характеристики которого определяются, представляют собой двухканальную систему, подключенную к источнику сигнала (звуковому генератору) и работающую на общую нагрузку. В каждом канале используется однокаскадный усилитель на лампе 6Ж5Б. Нагрузкой лампы в одном канале является активное сопротивление, а нагрузкой лампы в другом канале – колебательный контур.

Параметры каналов сделаны переменными. Комбинация параметров каналов образует 5 различных схем, подлежащих исследованию.

Измерительное устройство ( ламповый вольтметр ) используется при снятии амплитудно-частотной характеристики и может определять величину входного и выходного напряжения системы.

Методика измерений.

Определение частотных характеристик исследуемой системы производятся экспериментально. Вольтметр макета позволяет замерять напряжение на входе и на выходе макета. Коэффициент усиления ( его модуль ) определяется соотношением

(3)

Фазочастотная характеристика может быть получена экспериментально и расчетным путем ( по известной амплитудно-частотной характеристике ).

При экспериментальном определении фазочастотной характеристики производится измерение сдвига фаз между выходным и входным сигналом устройства. Используемый в работе фазометр типа Ф2-I позволяет измерить фазовый угол, не превышающий по модулю . Макет лабораторной работы представляет собой систему, где выходное напряжение ( анодное напряжение ) сдвинуто относительно входного ( напряжение на сетке ) на угол . Этот сдвиг компенсирован в схеме лабораторной установки тем, что в качестве источника сигнала использован звуковой генератор, имеющий вывод от средней точки выходного трансформатора. Напряжения между каждым из выходов генератора и средней точки сдвинуты относительно друг друга на угол . Поэтому сигнал на макет подается с одного плеча выходного трансформатора, а на вход фазометра – с другого.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с методикой определения частотных характеристик линейных систем.

2. Ознакомиться с порядком настройки приборов.

3. Подключить выход звукового генератора ко входу макета, а фазометр к выходу макета и выходу генератора согласно схеме на рис.5.

4. Включить макет и приборы в сеть и после прогрева настроить прибор Ф2-I.

5. По указанию преподавателя выбрать для исследования одну из схем, для чего поставить переключатель в соответствующее положение.

6. Установить выходное напряжение генератора 8 В при выходном сопротивлении 600 Ом.

7. Снять частотные характеристики системы, для чего производить измерения входного и выходного напряжения, пользуясь вольтметром на макете, и фазу прибором Ф2-I. Измерения производить в диапазоне частот 0,5 + 20 кГц через 1кГц.

Примечания. I. В диапазоне частот с значительным изменением выходного сигнала производить измерения с шагом 0,5 кГц обязательно производя замер в точках, где выходное напряжение имеет экстремальные значения.

2. При величинах напряжений менее 0,5 В на одном из своих выходов фазометр дает неправильные показания. Поэтому измерение фазы в таких точках не производить.

Результаты измерения занести в табл. 3.

Таблица 3.

		I	2	…	20
K

По полученным данным определить коэффициент усиления и построить частотные характеристики системы.