Мет.Нелин.цепи(испр). Методические указания по подготовке, выполнению и защите лабораторных работ по разделу Нелинейные радиотехнические цепи
 Скачать 1.02 Mb.
|
|
4. Содержание отчёта Отчёт по лабораторной работе должен быть оформлен в соответствии с общими требованиями, изложенными в инструкции по составлению отчёта (см. Приложение 1). Основная часть отчёта обязательно должна содержать все экспериментальные и теоретические результаты, полученные при выполнении заданий 1-4. Необходимо построить передаточную (стокозатворную) характеристику транзистора по данным аппроксимации и сравнить ее с исходной характеристикой, построенной по данным таблицы, приложенной к лабораторной установке. 5. Контрольные вопросы Чем различаются линейные и нелинейные цепи? Что такое аппроксимация нелинейных характеристик и каково ее назначение? Какие способы аппроксимации применялись в данной работе? Из каких соображений выбирается степень аппроксимирующего полинома? Что означает гармонический анализ колебаний в нелинейной цепи? Почему такая задача не решалась в линейных цепях? Какие методы гармонического анализа применялись в данной работе? Как изменяется частотный состав спектра в нелинейной цепи? Какие частоты являются комбинационными? Как измерялись параметры отдельных гармоник в данной работе? Как найти крутизну вольтамперной (стокозатворной) характеристики в заданной точке? При каких условиях нелинейный усилительный каскад может работать как линейный усилитель? Что представляет собой выходное напряжение нелинейного каскада при использовании в качестве нагрузки резистора? Библиографический список Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. пособие для вузов. -М.: Дрофа, 2006, с. 311-325. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. Стандарт третьего поколения / Под ред. В. Н. Ушакова – СПб.: Питер. 2014, с. . Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы.-М.: Высш. школа, 2000, с. 274-291. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи: учебник для вузов: -М.: Высш. шк., 2002, с. 279-291. Лабораторная работа №2.2 ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОГЕНЕРАТОРОВ Цель работы. Исследование баланса фаз и амплитуд в автогенераторах с обратной связью, ознакомление с принципиальными схемами RC‑генераторов гармонических и негармонических колебаний, ознакомление с методами измерения частоты колебаний. 1. Методические указания Автогенератором называется радиотехническая цепь, являющаяся источником периодических колебаний. Энергия этих колебаний черпается из источника питания, который входит в состав автогенератора, и представляет собой источник постоянного электрического напряжения или тока. Структурная схема автогенератора обычно содержит два функциональных блока: нелинейный усилитель (с источником питания) и линейную цепь обратной связи (рис. 2.1). Методика анализа установившихся колебаний в замкнутой системе «усилитель - обратная связь» основана на следующем приближении: принимаются во внимание только первые гармоники напряжений, частоты которых одинаковы между собой, а все высшие гармоники, возникающие вследствие нелинейности усилителя, не учитываются. При таком приближении понятие комплексного коэффициента передачи можно применить не только для линейной цепи обратной связи, но и для нелинейного усилителя:  (2.1)где  и –  комплексные амплитуды первых гармоник напряжения на входе и на выходе соответствующего блока структурной схемы.
Модуль (КОС) и аргумент (ОС) коэффициента обратной связи полностью определяют все свойства этой цепи. Они зависят от частоты воздействующего гармонического напряжения () и не зависят от его амплитуды. Зависимости КОС() и ОС() называются соответственно амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и фазочастотной характеристикой (ФЧХ) цепи обратной связи. Модуль (КУС) и аргумент (УС) коэффициента усиления не являются исчерпывающими характеристиками нелинейного усилителя, так как связывают между собой параметры только первых гармоник входного и выходного напряжений усилителя и не учитывают высшие гармоники. КУС и УС зависят не только от частоты воздействующего гармонического напряжения, но и от его амплитуды. Зависимость коэффициента усиления от амплитуды колебаний обусловлена нелинейными свойствами усилителя и называется амплитудной характеристикой. Незатухающие колебания в системе с обратной связью возможны при выполнении очевидного условия:  (2.2)которое позволяет составить два уравнения стационарного режима автогенератора.  (2.3) (2.4)Уравнения (2.3) и (2.4) называются уравнениями баланса амплитуд и баланса фаз. Решение этих уравнений позволяет найти амплитуду и частоту первой гармоники установившихся колебаний. Условиями самовозбуждения (то есть самопроизвольного возникновения колебаний с последующим возрастанием их амплитуды) являются условия  (2.5) (2.6)где КУС0 значение коэффициента усиления при весьма малой (или нулевой) амплитуде колебаний. Для генерации гармонических колебаний необходимо обеспечить выполнение условий самовозбуждения на одной единственной частоте. Уравнения (2.3-2.6) позволяют объяснить принцип действия автогенератора с обратной связью, а именно: причины возникновения колебаний, увеличения их амплитуды и установления стационарного режима. Начальной причиной генерации являются весьма маломощные флюктуационные токи и напряжения, всегда имеющие место в электрических схемах. Частотный спектр флюктуаций сплошной и, следовательно, содержит в том числе и гармонику, частота которой удовлетворяет условиям самовозбуждения (2.5 и 2.6). Если КУС0 КОС > 1, то амплитуда этой гармоники будет нарастать. По мере увеличения амплитуды колебаний усилитель постепенно переходит в нелинейный режим, коэффициент усиления уменьшается, и при достаточно большой амплитуде колебаний неравенство КУС0∙КОС >1 (2.5) превращается в равенство КУС∙КОС=1 (2.3). Именно благодаря нелинейности усилителя прекращается рост амплитуды колебаний и устанавливается стационарный режим. Поэтому форма колебаний в стационарном режиме может несколько отличаться от гармонической, так как вследствие нелинейности в спектре установившихся колебаний появляются гармоники с частотами, кратными частоте генерации. Если условия самовозбуждения выполняются одновременно на нескольких частотах, то генерируемые колебания имеют сложную форму и существенно отличаются от гармонических. Структурная схема RC‑генератора содержит резистивный усилитель и цепь обратной связи, состоящую из резисторов и конденсаторов. Принципиальная схема типового каскада резистивного усилителя на биполярном транзисторе приведена на рис.2.2. Основными элементами
схемы являются последовательно соединенные транзистор, резистор нагрузки Rк и источник питания Ек. Вспомогательные элементы – Rб, Cб (цепь смещения) и Cр (разделительный конденсатор). Напряжение между базой и эмиттером транзистора представляет собой сумму переменного напряжения входного сигнала (с амплитудой U1) и постоянного напряжения на конденсаторе Сб (напряжения смещения). Напряжение смещения с помощью резистора Rб устанавливается таким, чтобы обеспечить большие значения начального коэффициента усиления КУС0. Выходное напряжение в типовом каскаде резистивного усилителя снимается между коллектором и эмиттером транзистора и по фазе противоположно входному напряжению, то есть, УС=. Это объясняется тем, что переменные составляющие напряжений на коллекторе и на резисторе Rк равны по величине, но противоположны по знаку (их сумма в соответствии с законом Кирхгофа равна переменной составляющей напряжения коллекторной батареи Ек, то есть, нулю). Пренебрегая реактивными свойствами транзистора, можно полагать, что УС не зависит от частоты. Однокаскадный резистивный усилитель может быть использован в схеме автогенератора гармонических колебаний, если применить цепь обратной связи, в которой ОС= только на одной частоте - частоте генерируемых колебаний (г), а на всех других частотах ОС. Примером подобной цепи является каскадное соединение нескольких идентичных RC‑ячеек (рис.2.3). Как известно, отдельно взятая RC‑ячейка может создавать фазовый сдвиг напряжения, изменяющийся в зависимости от частоты в диапазоне от 0 до /2. Поэтому цепь, составленная из трех или более ячеек, на некоторой частоте имеет значение ОС в точности равное . Соединение одного каскада усилителя с подобной цепью обратной связи образует схему однокаскадного RC‑генератора, в котором условие баланса фаз выполняется на одной частоте, которая и является частотой генерации (г). На рис.2.3 показана схема однокаскадного RC‑генератора и частотные характеристики цепи обратной связи. Анализ показывает, что ОС= на частоте:  (2.7)причем КОС(г)=1/29. Поэтому для выполнения условия самовозбуждения (2.5) необходим коэффициент усиления: КУС0 ≥ 29.
Коэффициент обратной связи в однокаскадном автогенераторе на частотах высших гармоник больше, чем на частоте первой гармоники: КОС(3г)>КОС(2г)>КОС(г). Это способствует увеличению амплитуд высших гармоник, и поэтому форма генерируемых колебаний может существенно отличаться от гармонической. Сдвиг фазы гармонического напряжения, производимый двухкаскадным резистивным усилителем, равен сумме фазовых сдвигов в его каскадах, то есть УС=+=2, и внутри полосы пропускания усилителя почти не зависит от частоты. Двухкаскадный усилитель и цепь обратной связи образуют двухкаскадный RC‑генератор (рис.2.4). Для возбуждения гармонических колебаний необходимо, чтобы ОС=0 при =г и ОС0, если г. Тогда условие баланса фаз выполняется только на одной частоте (г). Этим требованиям удовлетворяет цепь, составленная из двух резисторов и двух конденсаторов.
Принципиальная схема двухкаскадного RC-генератора и частотные характеристики цепи обратной связи приведены на рис.2.4. Анализ цепи обратной связи показывает, что ОС=0 при  (2.7)причем КОС(г)=1/3. Условие самовозбуждения (2.5) выполняется при КОС0 ≥ 3. Достоинством схемы является также некоторое ослабление высших гармоник, так как коэффициент обратной связи в двухкаскадном RC‑генераторе для высших гармоник напряжения меньше, чем для первой гармоники (рис.2.4б). Это способствует установлению гармонической формы колебаний. Мультивибратор представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, выходные клеммы которого соединены с входными (рис.2.5). При таком соединении независимо от частоты колебаний КОС=1 и ОС=0. Поэтому условие баланса фаз (2.4) в схеме мультивибратора выполняется на многих частотах внутри полосы пропускания усилителя. Если при этом КОС0>1, то в схеме одновременно возбуждается множество гармонических колебаний. Совокупность этих колебаний образует напряжение в виде последовательности почти прямоугольных импульсов (рис.2.5б) с частотой повторения:  (2.8)
2. Описание лабораторной установки Лабораторная установка содержит три автогенератора: однокаскадный RC-генератор, двухкаскадный RC-генератор и мультивибратор, а также две отдельно собранные цепи обратной связи первого и второго генераторов. На лицевой панели установки изображены структурные схемы каждого из автогенераторов и принципиальные схемы цепей обратной связи. На лицевую панель выведены выходные клеммы автогенераторов (К3, К6 и К7), а также входные и выходные клеммы цепей обратной связи (К1 и К2, К4 и К5). Для измерения частотных характеристик цепей обратной связи применяются генератор гармонического напряжения типа Г3-118 и 2-х лучевой осциллограф GOS-620. Схема измерений приведена на рис.2.6.
| ||||||||||||||||||
