Лабораторная работа1. Лабораторная работа Исследование схем генераторов синусоидальных колебаний на транзисторах и интегральных микросхемах
 Скачать 68.29 Kb.
|
|
Министерство Образования Российской Федерации УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра вычислительной техники и защиты информации Лабораторная работа Исследование схем генераторов синусоидальных колебаний на транзисторах и интегральных микросхемах. Выполнили: Проверил: доцент Кутдусов Ф.Х. Уфа 2002 Лабораторная работа Исследование схем генераторов синусоидальных колебаний на транзисторах и интегральных микросхемах. Цель работы: Изучение принципов построения и исследование работы различных типов генераторов синусоидальных колебаний. Перечень оборудования:
Краткая теоретическая часть Генератором синусоидальных колебаний (ГСК) называется устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию электрических колебаний определённой частоты и величины. Для выполнения условия самовозбуждения на требуемой частоте в генераторах используют ПОС. Если говорить в общем случае, то следует отметить, что для работы генератора необходимо выполнение двух условий. Первое это баланс фаз. То есть из спектра выделяется гармоника определённой частоты и через положительную обратную связь подаётся на вход, причём в фазе с входным сигналом. Другие подаются не в фазе. Другими словами сдвиг фаз между входным сигналом и сигналом обратной связи должен быть 2πk, где k=0,1,2,… . Второе условие – условие баланса амплитуд. Это означает, что мы должны подавать необходимое количество энергии по цепи ПОС. Это можно записать следующим образом: |K||χ|≥1. При выполнении этих условий на одной частоте получается ГСК. В зависимости от выполнения схемы усилителя, все ГСК делятся на генераторы с колебательным LC-контуром и с частотно-зависимыми RC-цепями. Генераторы с LC-контуром также в свою очередь делятся по виду ПОС на ГСК с трансформаторной связью, с трёхточечной индуктивной связью и с трёхточечной емкостной связью. Предназначены для ГСК частот от десятков кГц и выше. Генераторы с RC-цепями делятся на ГСК с Г-образным RC-звеном, с мостом Вина, с двойным Т-образным мостом. Предназначены для ГСК частот от десятков, единиц кГц и ниже. На ГСК LC-контуром с трансформаторной связью сдвиг фаз выполняется при помощи соответствующей фазировки обмоток относительно друг друга. Если принять индуктивную связь обмоток идеальной, то для обеспечения баланса амплитуд необходимо, чтобы β≥(Lk/Lб)½=W1/W2 где β - коэффициент передачи тока транзистора в точке покоя. Частота колебаний будет близка к резонансной частоте колебательного контура, которую можно вычислить по формуле: 1 ƒГ ≈ ─────── 2π(LkCk)½ Нестабильность частоты ГСК оценивается по формуле: ∆ƒ δƒ = ─── *100% ƒ где ∆f – абсолютное отклонение частоты от номинального значения fн. При использовании частотно-зависимых RC-цепей, тоже можно добиться сдвига фаз в 180 или 0 градусов. Так как максимальный фазовый сдвиг, вносимый одним звеном в Г-образного RC-четырёхполюсника (R-параллель) составляет 90 градусов, то обычно цепь должна содержать не менее трёх последовательностей звеньев. Частота при которой сдвиг фазы составляет 180 градусов, называется квазирезонансной и определяется по формуле: ƒ0=1/(2π6½RC), где R1=R2=R3=R и C1=C2=C3=C При этом коэффициент передачи обратной связи равен 1/29, следовательно, возбуждение генератора возможно, если коэффициент усиления усилителя Ku≥29. При использовании для обратной связи моста Вина, можно получить сдвиг фаз равный 0 градусов, причём коэффициент передачи ОС будет равен 1/3. В результате для ГСК с мостом Вина, при С1=С2=С и R1=R2=R, частота будет определятся по следующей формуле: ƒ0= 1/(2π(R1R2C1C2)½)=1/2πRC Описание принципиальной схемы Лабораторная установка состоит из трёх устройств: А1, А2, А3. Устройство А1 (в соответствии с рисунком 1) представляет собой ГСК с колебательным LC-контуром и трёхточечной емкостной связью (L1,C1,C2). Коэффициент усиления усилителя, выполненного на транзисторе VT1, регулируется с помощью R4 (150 Ом). Частота генератора может изменятся путём закорачивания части индуктивности L1 с помощью тумблера SA3. Напряжение питания изменяется в небольших пределах резистором R6. Устройство A2 (в соответствии с рисунком 2) представляет собой генератор RC-типа с мостом Вина (М1) в цепи обратной связи, который переключается к входу усилителя в помощью переключателя SA4. Усилитель собран на транзисторная VT1, VT2, VT3 типа КТ312А. Первый каскад собран по схеме эмиттерного повторителя (VT1). В усилителе осуществляется ОС по цепи C10-R13-R14, позволяющая регулировать коэффициент усиления при помощи резистора R14. Устройство А3 (в соответствии с рисунком 3) представляет собой RC-генератор гармонических колебаний, выполненный на операционном усилителе DA1 в интегральном исполнении типа 153УД2. ПОС выполнения в виде Г-образной RC-цепи (ПОС1) и моста Вина (ПОС2). Переключение цепи обратной связи с ПОС1 на ПОС2, осуществляется переключателем SA6. Для получения необходимого коэффициента усиления введена цепь ООС, состоящая из R1, R2, R3, R4, R11 и светодиодов HL1, HL2. Для стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора используется цепь, состоящая из резисторов R3, R4 и светодиодов HL1, HL2. Выполнение лабораторной работы. Задание 1. Исследовать работу LC-генератора, снять осциллограммы в указанных точках схемы, измерить номинальную частоту выходного напряжения (при UП=12В), найти δƒ при измерении UП на 10%, определить индуктивность (рисунок 1). Таблицы измеренных значения для задания 1.
Снятые осциллограммы напряжений Uб1, U к1, U с2, U L2, U вых приведены на рисунке 4. Величину индуктивности можно определить из формулы для частоты колебательного контура: 1 1 L1= ───── = ──────────────────── = 8.592 мкГн. 4π2ƒ2C 4*9.8586*0.868*1012*3400*10-12 При уменьшении питания на 10% частота меняется и коэффициент нестабильности определяется по следующей формуле: ∆ƒ δƒ = ─── *100% = 100%*(932320-931018)/931018=0.1398% ƒн Индуктивность при полностью включенной катушке определим из той же формулы: 1 1 L1= ───── = ──────────────────── = 19.657 мкГн. 4π2ƒ2C 4*9.8586*0.380*1012*3400*10-12 Задание 2. Исследовать работу RC-генератора на транзисторах, снять осциллограммы в указанных точках схемы, измерить и рассчитать частоту колебаний генератора при R1=R2=51 кОм, С1=С2=5600 пФ и С1+С3=С2+С4=8600 пФ (рисунок 2). Снятые осциллограммы напряжений Uк3, U э3, U вых приведены на рисунке 5. Таблица измеренных значений:
При выключенном переключателе SA5 емкость С1=5600 пФ, найдём расчётное значение частоты: 1 1 ƒ= ───── = ────────────────── = 557 Гц 2πRC 6.28*51000*5600*10-12 При включенном переключателе SA5 емкость С1+С3=С2+С4=8600 пФ, найдём расчётное значение частоты: 1 1 ƒ= ───── = ────────────────── = 363 Гц 2πRC 6.28*51000*8600*10-12 Таким образом расчётные и измеренные частоты приблизительно равны. При повышении KU>4..5 происходит нелинейные искажения, которые вызваны тем, что коэффициент передачи ОС с мостом Вина равен 3. Из-за того, что усиливается энергия сильнее (интенсивнее), чем она теряется, происходит выход усилителя из активного режима в режим насыщения, где очень велики нелинейные искажения. При уменьшении KU<3 не будет автоколебаний по причине того, что не выполняется условие баланса амплитуд работы автоколебательных генераторов. То есть потери в цепи ОС больше, чем усиление усилителя. Задание 3. Исследовать работу RC-генератора на основе ОУ. Снять осциллограммы в указанных точках схемы. Измерить частоту выходного напряжения. Рассчитать и сравнить с измеренной частоту колебаний генератора при подключении ПОС1 и ПОС2 (рисунок 3). Таблица измеренных значений:
При ПОС1 ОС осуществляется Г-образной RC-цепочкой. Вычислили частоту генератора: ƒ0 = 1/(2π6½RC) = 1/(2π6½*15*103*6800*10-12) = 637 Гц При ПОС2 ОС осуществляется мостом Вина. Произведём расчёт частоты генератора: 1 1 ƒ= ───── = ────────────────── = 664 Гц 2πRC 6.28*51000*4700*10-12 | ||||||||||||||||||||