Мет.Нелин.цепи(испр). Методические указания по подготовке, выполнению и защите лабораторных работ по разделу Нелинейные радиотехнические цепи
 Скачать 1.02 Mb.
|
|
2. Описание лабораторной установки Установка предназначена для наблюдения формы и измерения параметров сигналов в нелинейной цепи. Исследуемая нелинейная цепь состоит из последовательно соединенных нелинейного элемента и линейной нагрузки (см. рис. 1.6). В качестве нелинейного элемента используется либо полевой транзистор КП-303, вольтамперная (стокозатворная) характеристика которого приложена к лабораторной установке, либо полупроводниковый диод. Выбор исследуемого элемента (нелинейного резистора) осуществляется тумблером ТРАНЗ-В2-ДИОД. Нагрузкой нелинейного элемента является либо резистор (R), либо один из 5-ти параллельных колебательных контуров (LC), настроенных на частоты 200, 300, 400, 600, 700 кГц. Подключение того или иного типа нагрузки к нелинейному элементу производится переключателями R-B2-LC. Галетным переключателем осуществляется выбор колебательных контуров (положения переключателя 200к, 300к, 400к, 600к, 700к соответствуют резонансным частотам контуров). Коэффициент передачи по току для резистивной нагрузки составляет КI=0,75 и для нагрузки контуром КI=0,05. В состав лабораторной установки входят регулируемый источник постоянного напряжения смещения (Есм) и внутренний генератор гармонических колебаний (G), который может быть подключен к исследуемой цепи или отключен от нее тумблером В2. Изменение амплитуды колебаний генератора производится потенциометром «АМПЛ». Переменная составляющая напряжения на затворе транзистора создается также внешним генератором Г4-102, подключаемым к клемме K1. При включении внешнего и внутреннего генераторов напряжение на затворе транзистора является суммой двух гармонических колебаний с разными амплитудами и частотами. Внимание! Для регулировки амплитуды внутреннего генератора G внешний генератор Г4-102 должен быть отключен от разъема К1. При установке амплитуды внешнего генератора Г4-102, он должен быть подключен к разъему К1, а внутренний генератор G должен быть отключен тумблером В2. Амплитуды сигналов внутреннего и внешнего генераторов измеряются при помощи вольтметра В3-38. Измерение постоянного напряжения смещения производится мультиметром APPA-201, подключаемым к клемме K3. Измерение действующих значений переменных напряжений на затворе транзистора и на его нагрузке производится вольтметром В3-38 при его подключении к клеммам K2 или K4. Мгновенные значения напряжения на элементах исследуемой цепи можно наблюдать на экране осциллографа GOS-620. При резистивной нагрузке напряжение на выходе исследуемой цепи пропорционально току стока транзистора, то есть, является суммой нескольких гармоник. При нагрузке колебательным контуром выходное напряжение пропорционально только одной гармонике тока, попавшей в полосу пропускания контура. Поэтому, переключая нагрузочные контуры, можно поочередно наблюдать все гармоники выходного напряжения и измерять их параметры.
Напряжение на контуре (амплитуда n-ой гармоники) определяется соотношением  (1.14)где In – амплитуда n-ой гармоники тока, протекающего через нелинейный элемент, ZЭР – эквивалентное сопротивление контура на его резонансной частоте. В макете ZЭР контура подобрано одинаковым для всех контуров. Поэтому гармоническое напряжение на выходе макета (разъемы К4) оказывается пропорциональным величине гармоники тока – In. Можно считать, что установка в этом случае выступает в роли анализатора спектра тока, протекающего через нелинейный элемент. Если установить рабочую точку на середине вольтамперной характеристики нелинейного элемента – транзистора (на макете устанавливается смещение –1В), подать на вход макета с внешнего генератора гармоническое колебание с частотой 200 кГц амплитудой 0,1В и в качестве нагрузки включить колебательный контур, настроенный на fр=200кГц, то схема будет работать, как линейный усилитель. Сигнал на выходе лабораторной установки (разъемы К4) будет представлять собой гармоническое колебание с амплитудой, определяемой выражением  (1.15)где Sэ – крутизна вольтамперной характеристики транзистора в рабочей точке, UВХ – амплитуда входного гармонического сигнала. Коэффициент усиления такого усилителя определяется  (1.16)Замерив амплитуды гармонического сигнала на входе и выходе макета, можно определить КУС. Определив по заданной вольтамперной характеристике Sэ в рабочей точке и зная КI=0,05, можно вычислить ZЭР (ZЭР=KУС/SЭKI). Переменная составляющая напряжения на входе исследуемой нелинейной цепи может создаваться также внешним генератором Г4-102 при его подключении к клемме К1. Если включены и внешний, и внутренний генераторы, то напряжение на входе исследуемой цепи представляет собой сумму постоянной составляющей и двух гармонических составляющих с разными амплитудами и частотами (как в формуле 1.9) Действующее значение переменных составляющих напряжения на входе и выходе исследуемой цепи измеряются вольтметром В3-38. Амплитуда и период каждой гармоники измеряются с помощью осциллографа, действующее значение - вольтметром В3-38. Частота гармоник вычисляется по результатам измерения периода колебаний. 3. Порядок выполнения лабораторной работы Перед началом измерений необходимо: Ознакомиться методическими указаниями к работе, описанием лабораторной установки и с применяемыми в работе измерительными приборами. Переписать таблицу с данными передаточной (стокозатворной) характеристики транзистора. Переписать формулу, приведенную в задании 1. Собрать схему измерений, подключив к разъёму «К1» соответствующего блока лабораторной установки генератор Г4-102 (Г4-106), к разъёму «К2» - милливольтметр ВЗ-38, к разъёму «К3» - мультиметр АРРА‑201, к «К4» - осциллограф GOS-620. На блоке управления лабораторными работами установить переключатель «ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА» в положение «2.1». Внутренний генератор G (в составе макета) выключить. Переключатель «ТРАНЗ.- ДИОД» поставить в положение «ТРАНЗ». Включить питание лабораторной установки и всех измерительных приборов, входящих в схему измерений (выключатель сети прибора АРРА‑201 расположен на задней панели). Задание 1. Измерение эквивалентного сопротивления контура. 1.1 Установить напряжение смещения Есм равным минус (0,7…1,0) В, что соответствует линейному участку характеристики транзистора. Для измерения напряжения смещения использовать мультиметр АРРА-201 в режиме измерения постоянного напряжения V=, подключённый к разъёму «К3». Рекомендуется нажатиями на кнопку RANGE добиться индикации двух разрядов измеряемого напряжения. Установить частоту генератора Г4-102 (Г4-106) равной 200 кГц, и амплитуду его напряжения UВХ равной 100 мВ. Измерение уровня входного сигнала производить милливольтметром ВЗ-38, подключенным к разъёму «К2». Внимание! Милливольтметр ВЗ-38 измеряет эффективное (действующее) значение переменного напряжения, которое для синусоидального колебания равно1/√2≈0,707 от амплитудного значения. При таких значениях параметров (Есм, UВХ) рабочая точка не выходит за пределы линейного участка стокозатворной характеристики транзистора, что является условием работы усилительного каскада в линейном режиме. 1.2 В качестве нагрузки транзистора применить контур, настроенный на частоту 200 кГц, для чего установить переключатель вида нагрузки «R-LC» в положение «LC», а переключатель контуров по резонансной частоте - в положение «200кГц». С помощью осциллографа наблюдать выходной сигнал усилительного каскада. Изменяя в небольших пределах частоту генератора Г4-102 (Г4-106), добиться максимальной амплитуды выходного напряжения. Измерить амплитуду UВЫХ и период ТВЫХ наблюдаемого колебания. Записать установленные значения Есм, UВХ, измеренные значения UВЫХ и ТВЫХ. Убедиться, что частоты напряжений на входе и выходе цепи совпадают. 1.3 Вычислить (допускается выполнять вычисления при оформлении работы) эквивалентное сопротивление контура на резонансной частоте (200 кГц), определяемое выражением:  (1.17)KI=0,05 - коэффициент передачи тока переключателя нагрузки, Sэ-крутизна характеристики транзистора в рабочей точке, соответствующей установленному напряжению смещения (определяется по графику стокозатворной характеристики транзистора). Эквивалентные сопротивления других нагрузочных контуров такие же. Внимание! В процессе оформления отчёта при расчёте амплитуд гармоник тока во всех последующих заданиях необходимо учитывать коэффициент передачи тока переключателя нагрузки KI, включая его в качестве сомножителя в соответствующие выражения. Задание 2. Исследование спектра тока транзистора в режиме больших амплитуд 2.1 Установить нелинейный режим работы транзистора с отсечкой тока. Для этого установить напряжение смещения Есм равной минус 2,7 В (т.е. меньше напряжения запирания транзистора), а амплитуду входного сигнала UВХ равной 1,5 В (что превосходит ширину параболического участка стокозатворной характеристики транзистора). 2.2 С помощью переключателя «R-LC» установить в качестве нагрузки резистор «R». Наблюдать на экране осциллографа выходное напряжение в виде импульсов отрицательной полярности, совпадающее (за исключением полярности) с формой тока транзистора. Измерить длительность импульсов tИ и период их повторения ТИ. Вычислить экспериментальное значение угла отсечки тока по формуле: =180°tИ/TИ. Зарисовать осциллограмму выходного напряжения и записать значения Есм, UВХ, tИ, TИ и . 2.3 С помощью переключателя «R-LC» установить в качестве нагрузки транзистора колебательный контур «LC», настроенный на частоту первой гармоники (200 кГц) тока транзистора. Наблюдать осциллограмму выходного синусоидального напряжения. Изменяя в небольших пределах частоту генератора Г4-102 (Г4-106), добиться максимальной амплитуды выходного напряжения. Измерить его амплитуду UВЫХ и период ТВЫХ, определить частоту fВЫХ=1/ТВЫХ. Результаты измерений записать в таблицу 1.1 2.4 Повторить измерения по п. 2.3, используя в качестве нагрузки контура, настроенные соответственно на частоты второй (400 кГц) и третьей (600 кГц) гармоник тока. Результаты измерений записать в таблицу 1.1 2.5 Применяя метод «угла отсечки» (формулы 1.10 – 1.13) рассчитать амплитуды и частоты первых трех гармоник тока. Вычислить амплитуды напряжений на примененных в работе колебательных контурах, зная их эквивалентные сопротивления. Результаты расчетов привести в таблице 1.1 Таблица 1.1
Задание 3. Исследование спектра тока транзистора в режиме малых амплитуд 3.1 Установить напряжение смещения Есм равным минус 2 В, а амплитуду входного сигнала UВХ равной 0,3 В. В этом режиме рабочая точка при всех мгновенных значениях сигнала находится на параболическом участке стокозатворной характеристики. 3.2 С помощью переключателя «R-LC» установить в качестве нагрузки транзистора резистор «R» и наблюдать на экране осциллографа выходной сигнал. Зарисовать осциллограмму и записать значения Есм, UВХ. 3.3 Подключить в качестве нагрузки колебательный контур, настроенный на частоту 200 кГц. Изменяя в небольших пределах частоту генератора Г4-102 (Г4-106), добиться максимальной амплитуды выходного напряжения. При помощи осциллографа измерить его амплитуду и период. Определить частоту и сравнить ее с частотой входного напряжения и резонансной частотой нагрузочного контура. Результаты измерений занести в таблицу 1.2. 3.4 Повторить измерения по п. 3.3 при выборе нагрузочного контура, настроенного на частоту 400 кГц. Результаты измерений занести в таблицу 1.2. 3.5 Рассчитать амплитуды и частоты первых двух гармоник тока. Для этого обозначить на характеристике транзистора рабочий участок, аппроксимировать его полиномом второй степени и, применяя метод «кратных углов» (формулы 1.2 – 1.7), найти I0, I1 и I2. Вычислить амплитуды напряжений на примененных в работе колебательных контурах, зная их эквивалентные сопротивления. Результаты расчетов привести в таблице 1.2. Таблица 1.2
Задание 4. Исследование колебаний комбинационных частот. В этом задании входной сигнал транзистора является суммой двух гармонических колебаний. Одно из них вырабатывается генератором Г4-102 (Г4-106), а второе - внутренним генератором макета (G). Измерение и установка амплитуд колебаний каждого генератора производится раздельно, при обязательном выключении второго генератора. 4.1 Установить частоту fВХ1 генератора Г4-102 (Г4-106), равную 700 кГц. Подключить осциллограф к свободному разъему «К2». Наблюдая входной сигнал на осциллографе, установить его амплитуду UВХ1 равной 0,3 В. Выключить внешний генератор Г4-102 (Г4-106). 4.2 С помощью тумблера «ВКЛ.» на панели макета включить внутренний генератор. Наблюдая сигнал на осциллографе, с помощью потенциометра «АМПЛ.» на макете установить его амплитуду UВХ2 также равной 0,3 В. Измерить период и определить частоту fВХ2 сигнала внутреннего генератора. 4.3 Установить напряжение смещения минус 2 В. Выбрать в качестве нагрузки контур, настроенный на частоту 300 кГц. Включить внешний генератор Г4-102 (Г4-106). Переключив осциллограф на разъем «К4», наблюдать на экране выходное напряжение. Подстраивая частоту генератора Г4-102 (Г4-106) вблизи частоты 700 кГц, добиться наибольшей амплитуды выходного колебания гармонической формы. Измерить его амплитуду UВЫХ и период ТВЫХ, найти частоту fВЫХ=1/ТВЫХ. Записать результаты измерений. 4.4 Методом кратных углов рассчитать амплитуды тока стока и выходного напряжения комбинационных частот в исследуемой нелинейной цепи с помощью самостоятельно выведенной формулы. Сопоставить результаты измерений и расчетов. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
