Описание лабораторной установки

⇐ ПредыдущаяСтр 21 из 22Следующая ⇒

Установка (рис. 11.6) содержит генератор сигналов низкой частоты (НЧ), двухлучевой осциллограф с двумя раздельными входами, «Усилитель Y1» и «Усилитель Y2» и экспериментальный макет.

Рис. 11.6

Для исследования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик цепей обратной связи в макет введены: сдвоенный переключатель S2 (а и б); разъем 1 (Р1) макета, к которому подключается выход генератора сигналов НЧ; разъем 2 (Р2) макета, к которому подключается первый выход осциллографа; разъем 3 (Р3) макета, к которому подключается второй вход осциллографа.

Коэффициент передачи усилителя устанавливается делителем напряжения в цепи отрицательной обратной связи, образованным резисторами R4 и R6, и регулируется при изменении значения сопротивления R4. В режиме авторегулирования глубины отрицательной обратной связи переключателем S1 к делителю подключается терморезистор R5. Изменение характеристик моста Вина производится сдвоенным резистором R3.

Макет состоит из операционного усилителя с коэффициентом передачи , охваченного цепью обратной связи, образованной резисторами R4, R5, R6, и из включенных в цепь положительной обратной связи генератора фазосдвигающих цепочек, состоящих из резисторов и конденсаторов R1, С1 и R2, С2 и частотно-зависимой цепи в виде моста Вина (R3, C3).

Задание и указания к выполнению работы

1. Включить электропитание генератора, осциллографа и макета и установить на выходе генератора колебание с максимальной амплитудой ( 30 В).

2. Для исследования частотных и фазовых характеристик цепей обратной связи автогенераторов отключить усилитель (S3 — в положение 3) и подать на вход цепей обратной связи сигнал с генератора, подключив его к разъему Р1. Для контроля входного сигнала подключить первый канал осциллографа к разъему Р2. Второй канал осциллографа подключить к выходу цепи обратной связи (разъем Р3).

3. Исследовать АЧХ и ФЧХ трех цепей обратной связи:

а) трехзвенной RC-цепи,

б) четырехзвенной RC-цепи,

в) моста Вина (при среднем значении сопротивления R3).

Измерения производятся для 7 значений частот, указанных на макете. Выбор исследуемой цепи производится с помощью переключателя S2.

Измерение АЧХ производится путем определения (с помощью осциллографа) амплитуд входного и выходного напряжения. Модуль коэффициента передачи рассчитывается затем как .

Рис. 11.7

Для снятия ФЧХ цепей обратной связи следует измерять относительный сдвиг гармонических колебаний на экране осциллографа. С этой целью осуществить синхронизацию осциллографа по колебанию, подаваемому в канал I. Для повышения точности измерений коэффициенты усиления в каналах I и II осциллографа следует выбрать такими, чтобы амплитуды входного и выходного колебаний на экране были примерно одинаковыми. Начало отсчета установить по изображению колебания, снятого с выхода генератора (канал I), и измерить следующие величины (рис. 11.7):

· L — зависящее от частоты расстояние (в клетках) между ближайшими минимумами (максимумами) входного или выходного колебания;

· Dx — расстояние (также в клетках) между минимумами (максимумами) входного и выходного колебаний исследуемой цепи. При этом левый рассматриваемый максимум должен обязательно принадлежать входному сигналу, а правый — выходному (см. рис. 11.7).

Фазовый сдвиг (в градусах), вносимый исследуемой цепью, рассчитывается затем по формуле .

4. Отключить генератор НЧ и, изменяя коэффициент усиления усилителя с помощью резистора R4, определить коэффициент усиления усилителя, при котором возникают колебания в трехзвенном и четырехзвенном автогенераторах и в генераторе с мостом Вина. Переключатель S3 при этом должен быть установлен в положение 2 для трех- и четырехзвенной цепей обратной связи и в положение 1 — для моста Вина. Шкала переменного резистора R4 проградуирована непосредственно в значениях коэффициента усиления.

5. Для всех трех автогенераторов определить частоту колебаний, с помощью осциллографа измеряя их период. Для автогенератора с мостом Вина измерить частоту колебаний для двух случаев — при R3_min и R3_max.

6. В автогенераторе с мостом Вина установить с помощью резистора R4 коэффициент усиления немного выше порогового значения, при котором возникают колебания, добившись при этом заметного отклонения формы колебаний от синусоидальной. Подключить цепь автоматической регулировки усиления (переключатель S1 — замкнуть). Зарисовать форму генерируемых сигналов с АРУ и без нее.

Содержание отчета

Отчет по работе должен включать в себя следующие материалы:

· таблицы значений и графики измеренных АЧХ и ФЧХ цепей обратной связи;

· значения пороговых коэффициентов усиления, при которых возникают колебания в автогенераторах;

· частоты колебаний автогенераторов;

· рисунки, иллюстрирующие влияние цепи автоматической регулировки усиления на форму генерируемых колебаний;

· теоретический расчет частоты, на которой выполняется баланс фаз, если в качестве цепи обратной связи используется:

1) трехзвенная RС-цепь с R1 = 1,5 кОм, C1 = 0,01 мкФ;

2) четырехзвенная RС-цепь с R2 = 1,5 кОм, C2 = 0,01 мкФ;

3а) мост Вина с R3 = 1 кОм, C3 = 3 мкФ;

3б) мост Вина с R3 = 1,2 кОм, С3 = 3 мкФ;

· результаты сравнения теоретических результатов с экспериментальными;

· выводы по полученным результатам.

Контрольные вопросы

1. Что такое годограф? В чем состоит сущность частотного критерия устойчивости Найквиста?

2. С какой целью в цепь обратной связи включается терморезистор?

3. Чем определяется частота генерации автогенераторов? Приведите пример.

4. Определите частоту генерации для автогенератора, у которого переставлены местами резисторы и конденсаторы по сравнению с рис. 11.2, а или 11.2, б (по указанию преподавателя). Считать, что RC-звенья не влияют друг на друга.

5. Определите возможную частоту генерации и необходимый тип усилителя (инвертирующий или неинвертирующий) по ФЧХ разомкнутой цепи, заданной преподавателем.

6. Объясните методику измерения ФЧХ цепи обратной связи. Как при этом должна осуществляться синхронизация осциллографа?

7. Роль пассивной цепи (четырехполюсника) обратной связи в автогенераторе состоит в обеспечении баланса фаз на частоте генерации. Можно ли использовать в качестве четырехполюсников обратной связи Г-образные LC- и CL-цепи?

8. Какой фазовый сдвиг на некоторой фиксированной частоте w₀ может обеспечить одно Г-образное RC-звено? два последовательно включенных таких звена?

9. Фазосдвигающая цепь является линией задержки. Запишите ФЧХ идеальной (неискажающей форму сигнала) линии задержки.

10. Как по АЧХ и/или ФЧХ 3-звенной (4-звенной, моста Вина) RC-цепи определить возможную частоту генерации?

11. Линия задержки является фазосдвигающей цепью. Определите фазовый сдвиг, вносимый идеальной (неискажающей форму сигнала) линией задержки на 1 мкс на частоте 0,5 МГц.

12. Почему сигнал, генерируемый RC-автогенератором, отличается по форме от гармонического? Какие меры принимаются для улучшения формы сигнала (на примере макета и по данным эксперимента)?

12. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА САМОВОЗБУЖДЕНИЯ LC‑АВТОГЕНЕРАТОРА

Цель работы — изучение необходимых и достаточных условий самовозбуждения автогенераторов с узкополосными цепями обратной связи и собственно процесса самовозбуждения.

Теоретические сведения

В радиотехнике генератором называют устройство, преобразующее энергию источника питания (чаше всего источника постоянного тока) в энергию электрических колебаний. Колебания могут быть как периодические, так и непериодические. Последние представляют собой случайный электрический процесс, называемый шумовым сигналом. Периодические колебания могут быть как гармоническими (в форме синусоиды), так и в виде последовательности сигналов другой формы (прямоугольной, треугольной, пилообразной и т. д.). Форма колебаний определяется частотными характеристиками цепи обратной связи. В данной работе исследуется генератор, цепь обратной связи которого реализуется в виде последовательной LC‑цепи, входящей в параллельный колебательный контур. Из теории цепей с обратной связью (ЦОС) известно, что коэффициент передачи ЦОС , где — коэффициент передачи четырехполюсника, который должен быть охвачен обратной связью; b(iw) — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи. Оба эти коэффициента передачи удобно представить в комплексной форме, через модуль и фазу: , , где j — сдвиг фаз в четырехполюснике К, f — сдвиг фаз в четырехполюснике b. Тогда . Если (n = 0, 1, 2, 3, …), то реализуется положительная обратная связь, если (n = 0, 1, 2, 3, …), то реализуется отрицательная обратная связь. Обычно в качестве четырехполюсника K используется биполярный или полевой транзистор. При включении его по схеме с общим эмиттером или общим истоком получается инвертирующий усилитель, вносящий фазовый сдвиг j = p. Следовательно, для получения положительной обратной связи фаза f также должна быть равна p. При положительной обратной связи всегда больше, чем . При приближении произведения к единице стремится к бесконечности. При этом бесконечно малые напряжения на входе транзистора вызывают конечные напряжения на выходе, т. е. схема работает как генератор. Далее будет показано, что при выполнении этого условия генератор будет генерировать колебания с постоянной амплитудой. Поэтому данное условие называется балансом амплитуд. Условие, обеспечивающее положительную обратную связь ( ), называется балансом фаз. Для более детального анализа процессов в автогенераторе (АГ) рассмотрим схему емкостной трехточки (схема Колпитца), которая используется в лабораторном макете. На рис. 12.1 приведена эта схема с учетом только цепей высокой частоты (цепи питания исключены).

Рис. 12.1

Элементы L1, C1 и C2 образуют параллельный колебательный контур, R1 —нагрузочный резистор, в сопротивление которого включены сопротивления потерь элементов контура и потери, вносимые базовой и коллекторной цепями транзистора. На резонансной частоте справедливо следующее уравнение для реактивных сопротивлений элементов контура: .

Пусть напряжение на контуре (на конденсаторе С2) равно , а напряжение между базой и эмиттером равно (это напряжение является напряжением обратной связи). Четырехполюсник обратной связи образован катушкой индуктивности L1 и конденсатором С1. Его коэффициент передачи , но из предыдущего уравнения и коэффициент передачи (коэффициент обратной связи) . Знак «минус» означает, что фаза напряжения повернута на 180° по отношению к фазе напряжения . Знак «минус» будет сохраняться до тех пор, пока больше, чем , т. е. пока цепочка L1, C1 имеет индуктивную реакцию. Меняя b, можно менять условия самовозбуждения АГ (изменяя значение знаменателя в выражении для ). Напряжение между коллектором и эмиттером определяется крутизной ВАХ транзистора , где — коллекторный ток транзистора: . Крутизна S не является постоянной величиной; она зависит от постоянной составляющей напряжения . Для дальнейшего анализа заменим схему (рис. 12.1) на эквивалентную (рис. 12.2). Вместо транзистора включим источник тока, имитирующий переменную составляющую коллекторного тока . ВАХ транзистора (как биполярного, так и полевого) мало зависят от напряжения на коллекторе (стоке), поэтому ток коллектора определяется в основном напряжением . Цепочку L1, C1 заменим эквивалентной индуктивностью L, конденсатор С2 — конденсатором С, резистор R1 — резистором R.

Рис. 12.2

Ток источника создает в ветвях схемы токи , , . Очевидно, что справедливо уравнение

Учитывая, что , , , , продифференцируем уравнение для токов по времени и получим дифференциальное уравнение второго порядка относительно следующего вида (далее индекс «кэ» опущен): . Это уравнение является приближенным, так как крутизна — нелинейная функция U и, следовательно, зависит от времени. Однако пока будем считать ее постоянной. Принимая во внимание, что ( — резонансная частота контура АГ), перепишем уравнение в следующем виде:

Решение этого уравнения (с учетом того, что ):

Видно, что рост напряжения на контуре возможен, только если произведение больше единицы. В начале процесса, пока амплитуда напряжения на контуре заметно меньше напряжения питания коллекторной цепи, крутизна остается практически постоянной. При дальнейшем росте амплитуды, ввиду нелинейности ВАХ транзистора, крутизна начинает уменьшаться и процесс роста заканчивается установлением «баланса амплитуд», когда выполняется равенство , после чего амплитуда напряжения на контуре остается постоянной (этот режим называется стационарным, как и значение крутизны, при котором он устанавливается — ). Очевидно, что значение зависит от b и R. Обозначим постоянную времени процесса через a, тогда . Наблюдая на экране осциллографа процесс установления колебаний напряжения на выходе АГ, можно измерить значение a. Оно будет различным на разных участках процесса нарастания. Так как значения b, R и C постоянны, изменения a зависят только от крутизны характеристики транзистора. По измеренным значениям a можно найти значения крутизны на разных участках процесса. Необходимо отметить, что измеренная таким образом крутизна будет так называемой крутизной по первой гармонике , так как транзистор работает с отсечкой коллекторного тока, а резонансный контур АГ имеет высокую добротность и узкую полосу пропускания, фильтруя только первую гармонику коллекторного тока. Тогда . Для стационарного режима .

Рассмотрим теперь влияние на процесс самовозбуждения дополнительного фазового сдвига, вносимого фазосдвигающей цепью (фазовращатель, линия задержки, отрезок кабеля), включенной между базой транзистора и цепью, соединяющей L1 и С1. Очевидно, что в этом случае фаза напряжения будет больше180° на величину набега фазы, вносимого фазовращателем. Следовательно, теперь условие баланса фаз будет выполняться на другой частоте, на которой сдвиг фаз в точке соединения L1 и С1 будет меньше 180° на величину набега фазы. Так как фазовые характеристики имеют отрицательный наклон, эта частота будет меньше, чем частота в случае отсутствия фазовращателя. На этой частоте (отличной от резонансной) коэффициент передачи транзистора , где и . Очевидно, что на резонансной частоте и . Определим условие баланса фаз при наличии фазовращателя, который дает сдвиг фаз, равный . Коэффициент передачи транзистора (с учетом поворота фазы на 180º) , и произведение

Очевидно, что новое условие баланса фаз будет . Оценим значение частоты, которую будет генерировать АГ при дополнительном фазовом сдвиге. Пусть эта частота . Полагая, что добротность контура АГ высока, приближенное выражение для новой частоты генерации . Значение |Z| при сдвиге частоты будет уменьшаться по отношению к R при росте f, что потребует увеличения крутизны S для сохранения значения a и приведет к замедлению роста амплитуды колебаний. Если же произведение Sb|Z| станет меньшим единицы, то самовозбуждение будет вообще невозможным.

Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 219; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 17 18 19 202122 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!