Выпрямители переменного тока http://siclas.ru/
Лабораторные работы Примеры расчета типовых задач Расчетно-графическая работа Электрические цепи постоянного и переменного тока

Лабораторные работы, примеры расчета типовых задач по электротехнике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

Прохождение амплитудно-модулированных колебаний и радиоимпульсов через избирательную цепь

Цель работы: экспериментальное изучение характера искажений, возникающих при прохождении АМ-колебаний и радиоимпульсов через линейную избирательную цепь (резонансный транзисторный усилитель, работающий в режиме усиления малых сигналов).

Общие сведения

Для изучения характера искажения при прохождении АМ-колебаний и радиоимпульсов через резонансный транзисторный усилитель важно знать амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики этой избирательной цепи . Одноконтурный резонансный усилитель может быть представлен в виде схемы замещения (рис. 5.1).

Рисунок 5.1

На схеме замещения SE1 – зависимый источник тока; Ri – внутреннее сопротивление источника; L и С – соответственно индуктивность и емкость колебательного контура в коллекторной цепи и Rш – сопротивление резистора нагрузки. Передаточная функция для рассмотренной модели резонансного усилителя имеет вид:

  (5.1)

Здесь принято

и , где аэкв – обобщенная эквивалентная расстройка, Dw=w-wр,

; ;; .

Передаточная функция  может быть выражена через расстройку Dw и моделирующую частоту W=w-w0:

  (5.2)

Если обозначить через tк постоянную времени контура резонансного усилителя (с учетом проводимости активного элемента)

tк=2С/(Gi+Gш), (5.3)

то

  (5.4)

Отношение модулей

  (5.5)

можно рассматривать как нормированную АЧХ одноконтурного усилителя (рисунок 5.2), а аргумент

j(aэкв) = -arctg aэкв (5.6)

как ФЧХ (без учета не зависящего не зависящего от частоты сдвига p).

Рисунок 5.2

Относительная полоса пропускания резонансного усилителя определяется по ослаблению амплитуды на границах полосы до »0,707 от максимального уровня (при аэкв = 0); будучи выраженной через обобщенную расстройку аэкв, она равна 2. Для перехода от безразмерной относительной полосы пропускания 2 к размерной полосе Dw0 положим |аэкв| = 1, |Dw| = Dw0. Тогда полоса пропускания

2Dw0 = Dwр / Qэкв, (5.7)

где Qэкв – добротность нагруженного контура. Выражение (5.7) позволяет найти Qэкв, если известна резонансная частота и расстройка Dw0, при которой выходное напряжение уменьшается до значения 0,707 Евых max. Пусть на вход резонансного усилителя подается АМ – колебание вида

где g0 – начальная фаза модулирующей функции, а q0 – начальная фаза несущего колебания. При использовании (5.4) напряжение на выходе резонансного усилителя будет иметь вид [1]

где

x0 = arctg Wtк = arctg aэкв.

Первое слагаемое в фигурных скобках определяет вынужденное, а второе – свободное колебание. В стационарном режиме (при t >>tк) выходное колебание имеет следующий вид:

  (5.8)

Огибающая этого колебания отличается огибающей входного колебания тем, что:

глубина модуляции на выходе

меньше, чем на входе; относительное уменьшение глубины модуляции (рис. 5.3)

  (5.9)

Рисунок 5.3

огибающая на выходе отстает по фазе от огибающей выходного колебания на угол

x0 = arctg aэкв = arctg (2QэквW/wр).

При расстройке, т.е. при w0 ¹ wр, в выходном сигнале возникают хорошо видные биения. Действительно, если w0 и wр не совпадают (рис. 5.4 а), а коэффициенты усиления боковых частот входного сигнала будут разные, что приведет к симметрии боковых частот в выходном сигнале.

Для случая симметрии боковых частот выходного сигнала (рис. 5.4 б) построена векторная диаграмма напряжений. На этой диаграмме вектор OD изображает несущее колебание, фаза которого запаздывает относительно фазы входной ЭДС Е0 (принятой равной нулю) на угол q0, (что соответствует положительной расстройке Dw = w0 - wр > 0). Амплитуда колебания верхней боковой частоты (вектор DС1) в данном случае значительно меньше амплитуды колебания нижней боковой частоты (вектор DC2). Длина равнодействующего вектора OF, изображающего результирующее колебание, изменяется по сложному закону, не совпадающему с гармоническим законом изменения огибающей ЭДС. Этим объясняется искажение формы огибающей и возникновение паразитной фазовой модуляции колебания.

При подаче на резонансный усилитель с передаточной функцией (5.4) в момент t=0 гармонической ЭДС

e(t) = E0cos(w0t + q0)

напряжение на его выходе определяется выражением (5.1)

 (5.10)

Здесь Dw = w0 - wр, причем

j = arctg Dwtк, tк = 2c / (Gi + Gш).

Следует отметить, что с ростом сопротивления Rш проводимость Gш уменьшается и, следовательно, возрастает постоянная времени tк. При Dw = 0 огибающая амплитуд выходного сигнала нарастает по закону 1-exp(-t/tк), так как

что непосредственно следует из (5.10). Отсюда следует, что с ростом Rш, а следовательно, и с ростом значения tк крутизна фронта выходного сигнала будет все более и более уменьшаться. При наличии расстройки Dw¹0 зависимость крутизны фронта от tк значительно усложняется и определяется зависимостью (рисунок 5.5).

Рисунок 5.5

Рисунок 5.6

  Описание лабораторного макета

Принципиальная схема макета приведена на рисунке 5.6. Схема собственно резонансного усилителя содержит транзистор VT1, колебательный контур LкC с подключаемым параллельно ему переменным шунтирующим резистором R4 и резистор ОС по постоянному току R5 (он включен в сеть эмиттера для увеличения входного и выходного сопротивления и стабилизации схемы). Усиливаемый сигнал поступает на вход усилителя через импульсный модулятор. При переключении тумблера «вх. сигнал» в положение «непрер.». импульсный модулятор выключен и на вход усилителя поступают либо непрерывные высокочастотные колебания, либо колебания с гармонической АМ. При переключении этого же тумблера в положение «имп. мод.» включается импульсный модулятор и на входе усилителя поступают высокочастотные радиоимпульсы с прямоугольной огибающей.

В работе для вывода усилителя на линейный участок вольт-амперной характеристики потенциометр R2 «рег. Uб0» устанавливается в крайнее положение по часовой стрелке, что соответствует максимальному напряжению Uб0, равному 1,3÷1,6 В.

3. Порядок выполнения работы

1. Исследование избирательных свойств резонансного усилителя

Отключить R4 от контура. Собрать схему согласно рисунок 5.7. Установить частоту гармонических колебаний генератора ВЧ равной резонансной частоте fр контура усилителя. Момент настройки в резонанс фиксируется по максимальной амплитуде отклонения милливольтметра, подключенного к выходу схемы усилителя. Внимание: во время работы напряжение на выходе схемы не должно быть больше1 - 2В.

Рисунок 5.7

Определить полосу пропускания 2Df0: для этого необходимо расстроить частоту f0 генератора относительно частоты fр так, чтобы амплитуда на выходе уменьшилась до уровня 0,707 Uвых-max. Расстройку произвести в большую и меньшую стороны от резонансной частоты (до частот fmax и fmin).

Вычислить значение полосы пропускания по формуле 2fр = fmax - fmin. По найденному значению полосы определить эквивалентную добротность резонансного усилителя Qэкв=fр/ 2Dfр. Записать полученные результаты (f0 и Qэкв).

2. Исследование прохождения через резонансный усилитель колебаний с гармонической амплитудой модуляцией

Собрать схему лабораторной установки в соответствии с рисунком 5.8. Снять зависимость коэффициента демодуляции от расстройки. Для этого установить на генераторе Г3-33 частоту f1= 0,1 кГц и, управляя ручкой регулятора выходного напряжения, добиться глубины модуляции генератора Г4-18 равной 70 - 80%.

Проконтролировать глубину модуляции на выходе генератора с помощью осциллографа, переключив его вход с выхода макета на выход генератора. Коэффициент модуляции вычисляется по формуле М = (Еmax-Emin)/(Emax+Emin).

Рисунок 5.8

Переключить осциллограф на выход пакета. Меняя частоту модуляции F = 0.1 - 15 кГц, снять зависимость коэффициента модуляциина выходе резонансного усилителя. Теоретически коэффициент демодуляции Dтеор определяется по формуле:

В формулу подставляется экспериментально полученное значение эквивалентной добротности Qэкв. Построить графики Dэксп = Dэксп(F); Dтеор = Dтеор(F).

Установить частоту модуляции F = 0,1 кГц при коэффициенте модуляции М = 60 - 70%. Расстроить частоту высокочастотного генератора f0 относительно резонансной частоты на величину определенной ранее половины полосы пропускания Df0. Зарисовать осциллограмму выходного напряжения и дать объяснения экспериментально полученной картине. Увеличить расстройку генератора относительно резонансной частоты контура до величины, равной 2Df0.Зарисовать осциллограммы выходного напряжения.

3. Исследование прохождения радиоимпульса с прямоугольной огибающей через резонансный усилитель

Собрать схему лабораторной установки в соответствии с рис.5.9.Установить частоту генератора равной частоте резонансного контура. Добиться величины выходного сигнала, равной 0,5 В. Зарисовать осциллограммы радиоимпульсов на входе и выхода лабораторного макета.

Рисунок 5.9

Включить шунтирующее сопротивление R4 и, меняя его величину, уменьшить амплитуду радиоимпульса в 2 -2,5 раза. Увеличив в 2 - 2,5 раза входную чувствительность осциллографа, зарисовать эпюры напряжений. Определить длительность переднего фронта выходного импульса.

Выключить шунтирующее сопротивление R4. Провести наблюдение формы выходного радиоимпульса при расстройке несущей частоты f0 генератора относительно fр на величину f0±Df0 и f0± 2Df0.

Зарисовать осциллограммы и дать в выводах объяснение причины искажений выходного радиоимпульса.

Содержание отчета

1. Краткое изложение теории исследуемых процессов.

2. Блок-схема лабораторного макета.

3. Укрупненные блок-схемы лабораторных установок при проведении основных экспериментов.

4. Результаты экспериментов в табличной и графической форме.

5. Основные выводы по лабораторной работе, включающие анализ причин искажения радиоимпульсов при изменении шунтирующего сопротивления R4 и расстройки генератора относительно резонансной частоты в контура.

5. Контрольные вопросы.

1. Чем объяснить изменение коэффициента глубины модуляции АМ - колебаний на выходе усилителя?

2. Почему и как искажаются АМ-колебания при расстройке несущей на величину относительно резонансной частоты?

3. Есть ли разница в искажении АМ-колебания при расстройке несущей на +Df0 и на -Df0 относительно резонансной частоты?

4. Являются ли искажениями АМ-колебаний при расстройке несущей нелинейными и почему?

5. Чем объяснить искажения формы радиоимпульсов на выходе резонансного усилителя, настроенного на частоту несущей?

6. Почему и как искажается огибающая радиоимпульса при расстройке частоты заполнения относительно резонансной частоты контура усилителя?

Рекомендуемая литература:

Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. Пособие для вузов / И.С. Гонорвский. ­ 5-е изд., испр. и доп. ­ М.:Дрофа, 2006. ­ 719 с.: ил.

Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. Для вузов по спец. «Радиотехника». ­ 3-е изд., перераб. и доп. ­ М.: Высш. шк., 2000. ­ 462 с.: ил.


Лабораторные работы, примеры расчета типовых задач по электротехнике