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 5Прохождение амплитудно-модулированных колебаний и радиоимпульсов через избирательную цепьЦель 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 сведенияДля 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 5.1На 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 принятои , 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 аргументj(aэкв) = -arctg aэкв (5.6)как ФЧХ (без учета не зависящего не зависящего от частоты сдвига p).Рисунок 5.2Относительная 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 пропускания2Dw0 = 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 выходеменьше, чем на входе; относительное уменьшение глубины модуляции (рис. 5.3) (5.9)Рисунок 5.3огибающая на выходе отстает по фазе от огибающей выходного колебания на уголx0 = 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 ЭДСe(t) = E0cos(w0t + q0)напряжение на его выходе определяется выражением (5.1) (5.10)Здесь Dw = w0 — wр, причемj = 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 какчто 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 5.5Рисунок 5.6 Описание лабораторного макетаПринципиальная 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 работы1. Исследование избирательных свойств резонансного усилителяОтключить 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 5.7Определить 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 модуляциейСобрать 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 5.8Переключить 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 усилительСобрать 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 5.9Включить 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 отчета1. 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