Прохождение сигнала через нелинейные цепи
Цель работы: изучить и проанализировать прохождение сигналов через нелинейную цепь.
Общие положения
При прохождении сигналов через большинство реальных радиоэлектронных устройств, помимо линейных искажений, исследованных ранее в лабораторной работе №1, возникают нелинейные искажения.
Причиной нелинейных искажений является прохождение сигнала через элементы, имеющие нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ), например, лампу, диод, транзистор, трансформатор. В результате этого искажается форма колебаний и изменяется их спектральный состав. Т.е. в спектре выходного сигнала присутствуют новые (дополнительные) гармонические составляющие, которые количественно оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник) Кг как соотношение всех высших (новых) гармоник к основной гармонике входного сигнала:
Кг
=
.
В данной работе в качестве нелинейного элемента используется биполярный транзистор. Чем больше амплитуда входного (выходного) сигнала, тем сильнее проявляется нелинейность ВАХ транзистора и тем сильнее искажения сигнала. В большинстве устройств приемлемым является коэффициент гармоник на уровне от десятых долей до единиц процентов.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему 2.1 для исследования нелинейных искажений в электронных цепях.
Схема 2.1.
2. Установить параметры элементов:
2.1. Генератор синусоидального напряжения (AC voltage source) Е1:
- амплитуда сигнала Um = 0.05 В;
- частота сигнала f с = 0.5N кГц.
2.2. Транзистор VT – идеальный.
2.3. Все остальные элементы – в соответствии с номиналами на схеме.
3. С помощью пунктов меню “Analysis” → “AC freguency” снять амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики схемы в диапазоне частот от 50 Гц до 50 кГц.
4. Определить полосу пропускания по уровню -3 дБ (0,707).
5. Провести анализ влияния элементов схемы на ход АЧХ и ФЧХ.
6. С помощью осциллографа визуально оценить степень искажения выходного сигнала (отклонение от синусоидальной формы). Перенести форму этого сигнала в отчёт.
7. С помощью пунктов меню “Analysis” → “Fourier” получить спектральную диаграмму на выходе схемы (на Сн). Для этого перед началом спектрального анализа в меню “Fourier” установить:
- номер точки выходного узла схемы в окне “Output node” (заранее определяется так: подвести курсор к выходному узлу схемы, нажать правую кнопку мышки, войти в меню “Component properties”, в открывшемся окне “Node ID” прочитать номер узла);
- шаг частоты для анализа, равный частоте генератора fс (в окне “Fundamental frequency”);
- число гармоник “Number harmonics” равное 9.
8. Измерить и записать амплитуды всех гармоник.
9. Записать рассчитанное программой значение коэффициента нелинейных искажений (Total harmonic distortion).
10. Рассчитать коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) по формуле:
Кг = ,
где:
U2, U3, U4, U5 – амплитуды высших гармоник выходного сигнала, измеренные на спектральной диаграмме;
U1 – амплитуда первой (основной) гармоники, измеренная там же.
11. Сравнить полученное значение со значением из п.9.
12. Повторить п.п. 6 - 11 для значений амплитуды генератора входного сигнала Е1 = 0.07 В и 0.1 В.
13. Проанализировать полученные результаты.
Содержание отчёта
1. Исследуемая схема.
2. Результаты вычислений и измерений.
3. Формы сигналов.
4. Графики полученных характеристик и диаграмм.
5. Результаты проведенного анализа и выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Что такое нелинейные искажения сигнала? Чем они отличаются от линейных?
2. Какой элемент исследуемой схемы является нелинейным? Почему?
3. Что влияет на величину нелинейных искажений в исследуемой схеме?
4. Какой Кг допустим при передаче речевого сигнала? Как он сказывается на выходном сигнале?
5. Объясните полученные АЧХ и ФЧХ схемы.
6. Что такое полоса пропускания? Как её измерить? Как влияют параметры схемы на полосу пропускания?
7. Объясните назначение элементов исследуемой схемы.
8. Как влияют параметры элементов схемы на коэффициент гармоник выходного сигнала?
9. Как расширить полосу пропускания в области нижних частот (уменьшить fн)?
10. Как расширить полосу пропускания в области верхних частот (увеличить fв)?
11. Как уменьшить нелинейные искажения в транзисторном усилительном каскаде?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3