Методические указания. Метод указания по лабораторным работам (1). Лабораторная работа 1 исследование диодов и стабилитронов

• Название: Лабораторная работа 1 исследование диодов и стабилитронов
• Анкор: Методические указания
• Дата: 03.04.2023
• Размер: 1.29 Mb.
• Имя файла: Метод указания по лабораторным работам (1).doc
• Тип: Лабораторная работа; #1035282
• страница: 3 из 5

Содержание отчёта

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Наименование каждого пункта работы, схемы и результаты измерений и расчётов.

3. Выводы по результатам исследований.

Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА КОЛПИТЦА
Цель работы: закрепить теоретические знания о генераторах; научиться моделировать схемы LC- иRC- автогенераторов; научиться измерять основные параметры генераторных колебаний.

Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.

Методические указания: работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий.
Краткие теоретические сведения
Автогенераторами (генераторами с самовозбуждением) называются электронные устройства, способные преобразовывать энергию постоянного тока в электрические колебания заданной формы и частоты.

По форме генерируемых сигналов различают генераторы гармонических колебаний и генераторы релаксационных колебаний. Первые генерируют синусоидальное напряжение, а вторые - импульсы прямоугольной, пилообразной, треугольной и др. форм.

Для генерирования синусоидальных колебаний высокой частоты наиболее широко используется метод компенсации потерь в LС-контуре при помощи усилительного элемента.

Структурная схема автогенератора представлена на рис.1


Рис. 4.1 Структурная схема автогенератора
Она содержит усилитель и схему частотно-зависимой обратной связи. Между напряжением на выходе усилителя и напряжением на его входе наблюдается фазовый сдвиг . Напряжение будет определяться выражением



На выходе схемы частотнозавиcимой обратной связи напряжение также будет иметь фазовый сдвиг по отношению к напряжению . Напряжение U3 определяется выражением



Если подобрать обратную связь в рассматриваемой схеме таким образом, что ее выходное напряжение U3 будет равным входному напряжению усилителя , и подать это напряжение U3 на вход усилителя, то в замкнутой схеме возможно существование колебаний. Следовательно, условием генерации замкнутой схемы является равенство выходного напряжения схемы обратной связи входному напряжению усилителя:



Это равенство будет выполняться при условии:

(1)

Соотношение (1) называется условием самовозбуждения генератора. Комплексные коэффициенты К и могут быть записаны в виде



где К - численное значение коэффициента усиления усилителя по напряжению;

- численное значение коэффициента обратной связи;

- фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем и цепью обратной связи.

Поэтому соотношение (1) можно записать в виде двух равенств

(2)

(3)

Равенство (2) называется условием баланса амплитуд. Оно отряжает тот факт, что генератор будет возбуждаться только в случае компенсации усилителям потерь, вносимых схемой обратной связи.

Равенство (З) - называется условием баланса фаз. Оно отражает тот факт, что генератор будет возбуждаться только в случае совпадения фаз напряжений на выходе схемы обратной связи и входе усилителя.
Задание на подготовку к работе
1. Изучить характеристики и параметры автогенераторов гармонических колебаний.

2. Изучить сущность проводимых в данной работе исследований и нарисовать необходимые схемы.
Контрольные вопросы

1. 
   Назовите отличия между генераторами гармонических колебаний и генераторами релаксационных колебаний
   
2. 
   Изобразите структурную схему автогенератора.
   
3. 
   Напишите условие самовозбуждения генераторов.
   
4. 
   Напишите условие баланса амплитуд.
   
5. 
   Напишите условие баланса фаз
   

Порядок выполнения работы
1 Исследование генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка)
Соберите схему рис.2.

Определите ёмкость контура по формуле





Рис.4.2 Схема генератора Колпитца
Определите собственную (резонансную) частоту контура и период колебаний





Зарисуйте осциллограммы каналов А и В.

Определите период генерируемых колебаний по отсчётам и на экране осциллографа



Сравните расчётное и экспериментальное значения периодов колебаний.

Объясните, почему колебания на выходе генератора отличаются от гармонической формы и почему

Установите между точками А и В (см. рис.1), ёмкость , что приведёт к уменьшению положительной обратной связи

Изменяйте величину и добейтесь, чтобы зарисуйте осциллограммы

Оформите результаты исследований и напишите выводы
Содержание отчёта
1. Название и цель лабораторной работы.

2. Наименование каждого пункта работы, схемы, результаты расчётов и измерений.

3. Выводы по результатам исследований

Лабораторная работа №5
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Цель работы: закрепить теоретические знания об устройст­вах, обеспечивающих фильтрацию электрических сигналов; исследовать частотные характеристики фильтров нижних и верхних частот.

Используемое оборудование и средства: персо­нальный компьютер, программа Electronics Workbench.

Методические указания: работа выполняется студента­ми за четыре часа аудиторных занятий.

Краткие теоретические сведения
Электрическим фильтром называют устройство, через которое электрические колебания одних часто проходят с малым затуханием, а других - с большим.

Диапазон частот, где затухание не больше некоторого заданного значения, называют полосой пропускания (или прозрачности), а диапа­зон частот, где затухание не меньше некоторого заданного значения, -полосой затухания (или задерживания).

По частотным характеристикам различают четыре основных вида фильтров (рис.1).



Рис.5.1. Частотные характеристики идеальных (сплошная кривая) и реальных (пунктирная) фильтров нижних частот (а), верхних (б), полосового (в)

и режекторного (г)
Фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают колебания с частотами от нуля до некоторой верхней частоты _в, фильтры верхних частот (ФВЧ) - колебания с частотой не ниже некоторой нижней частоты _н. Полосовые фильтры (ПФ) имеют полосу пропускания от _н до _в, режекторные (РФ), или заградительные (ЗФ) фильтры не пропускают колебания внутри интервала частот [_н, _в ]. В реальных фильтрах нет скачкообразного перехода от зоны прозрачности к зоне задерживания. Частота, при которой коэффициент передачи фильтра уменьшается в раз по сравнению со своим максимальным значением, называется граничной и обозначается _гр.

Устройство и принцип действия фильтра зависят от диапазона рабочих частот и требуемого вида частотной характеристики. В диапазоне
от единиц килогерц до десятков мегагерц чаще всего используются LC-
фильтры. В диапазоне от долей герц до сотен килогерц применяют пассивные и активные (содержащие активные элементы) RC-фильтры.
Сильными фильтрующими свойствами обладают пьезоэлектрические
фильтры.

Пассивные фильтры чаще всего создаются в виде Т- и П-образных четырехполюсников (рис.2).



Рис.5.2. Схемы Т-образного (а) и П-образного (б)

звеньев пассивных электрических фильтров
На основании схемы рис.2 могут быть созданы следующие типы фильтров:

LC-фильтр нижних частот, если Z₁ = jL, a Z₁ =

LC-фильтр верхних частот, если Z₁ = a Z₂ = jL.

RC- фильтр нижних частот рис.3 имеет следующие характеристики:

- комплексная передаточная характеристика фильтра:

(1)



Рис.5.3. Фильтр нижних частот
- амплитудно-частотная характеристика фильтра:

(2)

- фазочастотная характеристика фильтра:
; (3)



- граничная частота:

. (4)

RC-фильтр верхних частот рис.4 имеет следующие характеристики:

- комплексная передаточная характеристика фильтра:

(5)



Рис.5.4. Фильтр верхних частот
- амплитудно-частотная характеристика фильтра:
(6)

- граничная частота:

(7)


- фазочастотная характеристика фильтра:

. (8)

Активные RC-фильтры. Они представляют собой комбинацию пассивной RC-цепи и активного элемента. В качестве активного элемента чаще всего используют операционные усилители (интегральные схемы), которые имеют инвертирующий и неинвертирующий входы. Схема операционного усилителя (ОУ) с отрицательной обратной связью изображена на рис.5а.



Рис.5.5 Операционный усилитель (а) и его АЧХ (б)
Амплитудно-частотная характеристика ОУ определяется выражением:

(9)

Вид АЧХ приведен на рис.5б и напоминает вид ФНЧ (см.рис.1а). Из выражения (9) видно, что АЧХ операционного усилителя определяется отношением сопротивлений входной цепи и цепи обратной связи . Таким образом, изменяя и можно изменять вид АЧХ усилителя и получить желаемую АЧХ фильтра.

Простейший активный RC-фильтр нижних частот показан на рис.6. Он состоит из интегрирующей RC-цепи и ОУ. Передаточная характеристика фильтра определяется интегрирующей цепью и имеет вид:

, (10)

где = 1/RC - граничная частота;

— коэффициент усиления усилителя;

Р – оператор Лапласа.

Фильтр называется фильтром первого порядка, так как многочлен знаменателя имеет первую степень аргумента Р.

Передаточная характеристика фильтра (рис.6.б) имеет вид:


Рис.5.6 Активные RC-фильтры первого порядка (а) и второго порядка (б)

(11)

где
Из (11) видно, что в знаменателе полином имеет второй порядок, поэтому фильтр (рис.6б) является ФНЧ второго порядка.

В общем случае передаточную функцию ФНЧ n-го порядка можно записать в следующем виде

(12)
В зависимости от вида полинома в знаменателе (12) различают фильтры Баттервора, Чебышева и др.

Фильтр нижних частот любого порядка можно построить из фильтров, изображенных на рис.6, соединяя их последовательно.

Полосовой фильтр можно получить последовательным включением ФНЧ и ФВЧ.

Режекторный фильтр получается при параллельном включении входов и выходов ФНЧ и ФВЧ.
Задание на подготовку к работе
1. Изучить характеристики и параметры пассивных и активных RC-фильтров нижних и верхних частот.

2. Изучить сущность исследований, изложенных в пункте "Порядок выполнения работы", выполнить требуемые расчеты, нарисовать схемы, таблицы и расчетные характеристики фильтров.
Контрольные вопросы
1. Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику фильтра верхних частот.

2. Нарисуйте схему RC-фильтра нижних частот.

3. Поясните, что означает граничная частота _гр.

4. Сформулируйте условие согласования фильтра.

5. Нарисуйте схему RC-фильтра верхних частот.

6. Напишите выражение, определяющее граничную частоту RC-фильтров.

7. Почему фильтр (рис.ба) является фильтром нижних частот?

8. Почему фильтр (рис.66) является фильтром второго порядка?