Часть 2. Снятие ачх усилителя.

9. Собрать из элементов "Электронной мозаики" схему 5 с сопротивлением нагрузки R_h= 1 МОм и входной разделительной емкостью Ср = 0,01 мкФ.

10. Подать на вход усилителя напряжение с амплитудой около 0,1 В и частотой 20 кГц. Получить на экране осциллографа устойчивую картину сигнала.

11. Измерить амплитуду выходного напряжения. Результат занести в Таблицу 2.

12. Не меняя амплитуду входного сигнала, установить на генераторе частоту f = 15 кГц. Измерить амплитуду U_вых. Повторить измерения для всех частот, указанных в Таблице 2.

13. Заменить в схеме усилителя разделительную емкость на 22 мкФ.

14. Произвести измерения согласно пп. 10, 11, 12. Результаты занести в Таблицу 2.

Таблица 2. U_вх = 0,1 В

	f(кГц)	20	15	10	5	2	1	0,5
Ср=0,01 мкФ
Ср=22 мкФ

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Часть 1.

1. Произвести необходимые расчеты и заполнить Таблицу 1. Величину коэффициента усиления К рассчитать по формуле (1). Рассчитать коэффициент усиления в дБ для U_вх = 0,1 В.

2. Построить на одном графике амплитудные характеристики усилителя при двух значениях сопротивления нагрузки.

3. Построить график зависимости коэффициента усиления К от величины Uвх для различных Rн. По графику найти интервал линейности АХ и рассчитать динамический диапазон в дБ. Проанализировать влияние сопротивления нагрузки на величину коэффициента усиления и динамический диапазон.

4. Часть 2

5. Построить АЧХ усилителя для различных Ср. Проанализировать влияние разделительной емкости на величину нижней границы полосы пропускания.

6. Написать заключение по работе, в котором привести все полученные результаты, их анализ и сравнение с расчетными.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Описать физические основы проводимости полупроводников и принцип работы транзистора.

2. Перечислить основные типы транзисторов и особенности их характеристик.

3. Нарисовать типичную схему усилителя с общим эмиттером.

4. Перечислить основные схемы включения транзисторов и сравнить их характеристики.

5. Перечислить основные параметры транзисторов и дать их определение.

6. Объяснить принцип действия и назначение обратной связи в усилителях.

Литература

1. Л.З.Бобровников. Радиотехника и электроника. Учебник для ВУЗов. - 3 изд. М., Недра, 1980. §§ 41-47.

2. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие. Под ред. Г.Д.Петрухина. М., изд-во МАИ, 1993. §§ 4.1 - 4.3, 9.1, 9.7, 9.9.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Изучение принципа работы генератора гармoнических колебаний

Цель работы: экспериментально исследовать работу генератора синусоидальных колебаний, определить его основные характеристики и влияние элементов схемы на параметры сигналов.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

1. Генераторами называются электронные устройства, служащие для генерирования электрических сигналов различной формы.

По форме выходных сигналов генераторы подразделяются на:

• генераторы гармонических колебаний;

• импульсные генераторы;

• генераторы шума.

В генераторах гармонических сигналов (ГГС) колебания чаще всего возникают без дополнительных внешних воздействий и поэтому такие генераторы называются автогенераторами.

К основным параметрам ГГС относятся:

• диапазон генерируемых частот f_min - f_max;

• точность установки частоты - максимальная погрешность установки частоты генератора по его шкале;

• максимальное выходное напряжение U_max;

• максимальная выходная мощность P_max = U²_max / R_н

• коэффициент полезного действия η = P_max / Р_пот;

• выходной импеданс (сопротивление) R_вых;

• напряжение питания U_пит,

где: R_н - сопротивление нагрузки, Р_пот - мощность, потребляемая от источника.

К генераторам передающих радиоустройств предъявляются кроме этого дополнительные требования по стабильности генерируемой частоты и отсутствию побочного излучения.

Основным фактором, влияющим на нестабильность генерируемой частоты, является изменение температуры. Поэтому стабильность частоты выражают в относительных единицах: температурный коэффициент частоты ТКЧ = Δf / f, где Δf - абсолютное изменение частоты при изменении температуры на 1 К. В обычных LC - генераторах стабильность (ТКЧ) не лучше, чем 10^-6 К^-1, даже при температурной стабилизации элементов схемы. Гораздо более высокую стабильность обеспечивают термостатированные генераторы с кварцевыми (пьезоэлектрическими) резонаторами (ТКЧ до 10^-11 K^-1).

Побочное излучение генератора - это излучение на гармониках, отличных от основной. Для генераторов передающих радиостанций мощность побочного излучения не должна превышать -30 дБ от мощности основной гармоники.

3. Как правило, принцип работы ГГС основывается на генерации вынужденных колебаний в LC (на частотах выше нескольких десятков кГц) или в RC (на звуковых частотах) контурах. При этом компенсация потерь в контурах осуществляется с использованием принципа положительной обратной связи.

На рис. la приведена принципиальная блок-схема генератора гармонических сигналов.

Рис. 1

Усилитель с глубокой положительной обратной связью (рис. 1а) усиливает все шумовые колебания, возникающие на его входе. Полосовой фильтр, установленный на выходе, пропускает на вход усилителя только колебания с фиксированной частотой, которые усиливаются и снова подаются на вход. Таким образом, происходит генерация сигналов только одной частоты, а не всего спектра шумовых сигналов.

Стабилизирующая отрицательная обратная связь позволяет ограничивать амплитуду выходного сигнала.

На рис. 1 6 приведена схема простейшего генератора гармонических сигналов на полевом транзисторе с положительной трансформаторной обратной связью. Вследствие наличия на истоке транзистора шумового тока с очень широким спектром (от нуля до практически бесконечности), в катушке L_С наводится переменное магнитное поле, передающееся через общий сердечник в катушку L, в которой наводится ЭДС индукции с резонансной для контура LC частотой:

(1)

Эта ЭДС воздействуя на затвор транзистора, вызывает изменения тока стока, которые по вышеописанной схеме снова подаются на затвор транзистора и усиливаются.

Коэффициент усиления схемы, охваченной положительной обратной связью, равен:

где К₀ - коэффициент усиления без обратной связи, β(j·ω)- частотно зависимый коэффициент обратной связи.

В данной схеме роль полосового фильтра в цепи положительной обратной связи играет LC - контур.

В генераторах параметры схемы выбираются так, чтобы на резонансной частоте произведение β(j·ω)·Ko равнялось 1. Тогда Ks стремится к бесконечности, и сколь угодно малые шумы усиливаются, теоретически, до бесконечно большого значения. Однако, вследствие отрицательной обратной связи и нелинейности амплитудной характеристики транзистора, приводящей к уменьшению коэффициента усиления К₀ при увеличении напряжения на выходе, дальнейшее возрастание амплитуды сигнала не происходит.

3. Как отмечалось выше, стабилизация частоты ГГС и подавление побочных гармоник в настоящее время чаще всего осуществляется с помощью кварцевых резонаторов.

Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластинку, вырезанную из монокристалла кварца, с напылёнными с двух сторон металлическими электродами. При подаче на электроды переменного напряжения, в кварцевой пластинке вследствие пьезоэлектрического эффекта возникают упругие колебания с резонансной частотой, определяемой размерами пластинки. Таким образом, кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой с очень малыми механическими потерями - гораздо меньшими, чем можно получить в чисто электрической колебательной системе. Вследствие этого резонансная кривая кварцевого резонатора является очень узкой и избирательность очень высока (добротность кварцевых резонаторов достигает 10⁶).

Реально кварцевые резонаторы могут использоваться для генерации сигналов от десятков килогерц до десятков мегагерц, поскольку для более низких частот резонаторы должны быть слишком крупногабаритными, а для более высоких частот - так малы, что их механическая прочность недостаточна.

4. Плавная перестройка частоты в ГГС чаще всего осуществляется путем изменения емкости переменного конденсатора С или индуктивности L (путем перемещения сердечника в катушке) в цепи резонансного LC контура (1), а изменение амплитуды выходного сигнала либо изменением сопротивления обратной связи, либо переменным делителем напряжения в выходном каскаде.

5. Для генерации гармонических сигналов звуковых и инфразвуковых частот применение LC генераторов нецелесообразно, поскольку индуктивности и емкости необходимых номиналов оказываются слишком крупногабаритными. Для указанного диапазона частот генераторы строятся в основном на основе RC цепей.

Структурная схема RC генератора такая же, как и LC генератора, однако, фильтр в цепи положительной обратной связи строится на основе полосовых RC фильтров. Наиболее высокие добротность и избирательность обеспечивает мост Вина (рис. 2), хотя могут быть использованы и полосовые Т-образные мосты, и многозвенные фильтры верхних и нижних частот.

Рис.2

В схеме на рис. 2 сдвиг фаз между входом и выходом равен нулю на частоте

а на других частотах близок к 180°. Таким образом, при включении данной схемы в цепь обратной связи, коэффициент обратной связи на частоте f₀ будет положительным, а на остальных частотах - отрицательным, что приведет к усилению только частоты f₀.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Экспериментальная установка состоит из модульного конструктора "Электронная мозаика", источника питания и осциллографа С1-71(74).

На рис. 3 приведена принципиальная электрическая схема изучаемого генератора, состоящего из усилительного каскада на одном транзисторе, в коллекторную цепь которого включена положительная индуктивная обратная связь с LC-контуром.

Рис. 3

На рис. 4 приведена монтажная схема изучаемого генератора.

Рис. 4

Конденсатор С определяет частоту генерируемых колебаний, а сопротивление R - их амплитуду.

В ходе данной лабораторной работы необходимо:

• изучить характер сигналов на различных элементах схемы,

• получить экспериментальную зависимость частоты колебаний от величины емкости С,

• получить экспериментальную зависимость амплитуды колебаний от величины R.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Собрать из элементов "Электронной мозаики" схему, приведенную на рис. 4, включив в качестве сопротивления R блок с номиналом 12 кОм, а в качестве емкости С - блок 680пФ. Остальные элементы имеют следующие номиналы: R₁=1 МОм, R₂=3,3 МОм, Сэ=680 пФ, Сф= 22(20) мкФ.

Nota Bene! Все последующие замены элементов в схеме производить только при отключенном питании.

2. Включить осциллограф в сеть, дать ему прогреться 5 мин и подключить его к схеме к точкам 1 и 2 (2 - земля осциллографа).

2. Подключить к схеме источник питания.

2. Получить на экране осциллографа картину гармонических колебаний и зарисовать ее в журнал.

3. При тех же положениях ручек развертки и усиления зарисовать диаграммы сигналов на коллекторе, базе и эмиттере транзистора. Землю осциллографа в этом случае подключить к земле схемы.

4. Снова подключить осциллограф к точкам 1 и 2 и измерить период колебаний (величина периода должна быть не менее 3 клеток шкалы) и его погрешность в делениях сетки. Результаты занести в Таблицу 1.

Таблица 1.

С(пФ)	Период L (делен.)	Погрешность периода ΔL (в дел.)	Развертка (мкс/дел)	Период Т (в мкс)	Погрешность периода ΔT (мкс)
680
3300
10000
Cmin
Сmax

7. Отключить источник питания от схемы и поменять емкость на указанную в таблице. Подключить питание к схеме. Провести измерения в соответствии с п.5.

8. Вместо блоков А и В подключить конденсатор переменной емкости из набора "Электронная мозаика". Вращая ручку, добиться получения колебаний наименьшего (при C_min) и наибольшего (при С_mах) периодов и измерить их.

9. Включить вместо С конденсатор емкостью 3300 пФ, а сопротивление R - закоротить. По картинке на экране определить амплитуду колебаний и ее погрешность. Результаты занести в Таблицу 2.

Таблица 2.

R (кОм)	Амплитуда А (в дел.)	Погрешность амплитуды ΔА (в дел.)	Усиление (В /дел)	Амплитуда (в В)	Погрешность амплитуды ΔА (В)
Rmin
Rmax

9. Произвести измерения амплитуды колебаний при сопротивлениях обратной связи R, указанных в Таблице 2.

10. Установить в качестве R блок с наушниками из набора и, вращая ручку громкости, определить максимальное и минимальное значение амплитуды.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Проанализировать блок-схему генератора и объяснить назначение его элементов.

2. Произвести расчеты и заполнить таблицы.

3. Построить график зависимости периода колебаний от емкости С и по графику найти величину индуктивности катушки и пределы изменения емкости переменного конденсатора. Величины периодов и емкостей на графике необходимо откладывать с учетом погрешностей, что позволит оценить погрешность определяемых емкостей.

4. Построить график зависимости амплитуды сигнала от сопротивления R и по графику найти пределы изменения сопротивления блока с наушниками (оценить по графику погрешность полученных значений).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Нарисовать блок-схему генератора гармонических сигналов и объяснить принцип его работы.

2. Перечислить основные параметры генераторов.

3. Объяснить принцип работы LC-генератора.

4. Объяснить принцип работы RC-генераторов.

5. Нарисовать принципиальную схему моста Вина и вывести условие его баланса.

6. Объяснить принцип реализации положительной обратной связи в изучаемом генераторе.

Литература

1. Л.З. Бобровников. Радиотехника и электроника. Учебник для ВУЗов. - 3 изд. ML, Недра, 1980. §58.

2. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие. Под ред. Г.Д. Петрухина. М., изд-во МАИ, 1993. §§ 11.1, 11.5.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8