ПОСОБИЕ ПО ЛАБАМ СФУ

Комплексный коэффициент передачи четырехполюсника обратной

связи

Uâõ

В стационарном режиме выполняется условие

которое можно записать в виде двух условий:

условия баланса амплитуд

условия баланса фаз

где п = 0, 1, 2 и т. д.

Условие (7.5) позволяет найти частоту генерируемых колебаний, а (7.4) их амплитуду, которую находят графически по колебательной или амплитудной характеристикам нелинейного резонансного усилителя [1; 6].

Процесс установления колебаний в автогенераторе при мягком режиме самовозбуждения описывается нелинейным дифференциальным уравнением — уравнением Ван-дер-Поля. Решение этого уравнения

методом медленно меняющихся амплитуд позволяет получить закон изменения амплитуды колебаний в процессе установления:

tу как время, в течение которого амплитуда нарастает до 0,9 Ur, получим

Отношение Ur/U0, определяемое флуктуационными процессами, обычно бывает порядка 105 ÷ 107.

Анализ выражения (12.6) показывает, что амплитуда генерируемых колебаний в стационарном режиме не зависит от начальных условий, а

время установления зависит от начальной амплитуды и параметров элементов схемы.

Воздействие внешней гармонической э. д. с. на автогенератор приводит к принудительной синхронизации (захватыванию) частоты автогенератора в некоторой полосе частот. Ширина полосы захватывания ω пропорциональна отношению амплитуды внешней э. д. с. Ес к

амплитуде автоколебаний на базе транзистораUб :

Принципиальная схема LC-автогенератора под внешним воздействием изображена на рисунке 7.3.

Рисунок 7.3 Принципиальная схема LC-автогенератора под внешним

воздействием

Описание лабораторной установки

Передняя панель сменного устройства изображена на рисунке 7.4. При выполнении лабораторной работы переключатель «Схема» устанавливается в положение 1.

В сменном устройстве находятся транзисторный LC-автогенератор и ряд вспомогательных узлов, позволяющих исследовать работу автогенератора. Необходимые для этого коммутации осуществляются переключателем «Род работы», имеющим 4 положения: 1 — «ОС выкл.», 2 — «ОС Вкл.», 3 — «Синхронизация», 4 — «Нестационарный». При разомкнутой обратной связи (положение 1) можно снимать колебательную характеристику автогенератора. Причем размыкание цепи обратной связи не изменяет режим работы схемы. В положении 2

может быть проведено исследование автогенератора в стационарном режиме. В положении 3 можно исследовать автогенератор при внешнем воздействии, которое подается через вспомогательный трансформатор Tp1 с коэффициентом трансформации, близким к единице. При исследовании автогенератора в нестационарном режиме (положение 4) цепь коллектора LC-автогенератора подключается к генератору прямоугольных импульсов.

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.

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

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;

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,

сопротивление потерь в контуре; rвн – сопротивление, вносимое в контур источником накачки.

Синхронный режим усиления характеризуется следующим соотношением частот сигнала и накачки: