Работа 7. Нелинейное усиление и умножение частоты

 

Работа «Нелинейное усиление и умножение частоты» содержит пять заданий:

1. Исследование усиления гармонического сигнала при квадратичной характеристике НЭ.

2. Исследование усиления гармонического сигнала при кусочно-линейной характеристике НЭ.

3. Исследование ФХ нелинейного усилителя и определение оптимального режима его работы.

4. Исследование ФХ удвоителя частоты и определение оптимального режима его работы.

5. Исследование ФХ утроителя частоты и определение оптимального режима его работы.

Задание 1

Исследуйте усиление гармонического сигнала в усилителе с квадратичной характеристикой управления усилительного элемента. Для этого выберите:

1) квадратичную характеристику НЭ с напряжением отсечки U_ОТС = @U В (пункт меню «Характеристика НЭ» / «Квадратичная...»);

2) гармонический входной сигнал с частотой F =@F кГц (пункт меню «Сигнал» / «Гармонический...»).

Установите напряжение смещения Е_СМ и амплитуду E₁ сигнала из условия полного использования квадратичного участка характеристики НЭ, не заходя в области отсечки и насыщения.

Наблюдайте и зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы усилителя;

2) спектрограммы входного напряжения и выходного тока НЭ;

3) осциллограммы и спектрограммы выходного напряжения, АЧХ при нагрузках (пункт меню «Нагрузка»):

а) резистор R;

б) идеальный полосовой фильтр (ПФ) с шириной полосы пропускания dF = 1 кГц;

в) колебательный контур (LC) c добротностью Q = 20.

4) схему нелинейного усилителя с нагрузкой в виде колебательного контура.

Варианты: 1) U = –2 В, F = 2 кГц; 2) U = –3 В, F = 3 кГц;

3) U = –4 В, F = 4 кГц; 4) U = –5 В, F = 5 кГц; 5) U = –6 В, F = 1 кГц.

 

Комментарии и выводы

В режиме слабого сигнала (в усилителях малой мощности) характеристику управления усилительного элемента целесообразно аппроксимировать полиномиальной зависимостью

,

а расчет спектрального состава реакции проводить методом кратных дуг, в основе которого лежит формула

.

Для уменьшения нелинейных искажений (подавления побочных продуктов нелинейного преобразования) в нелинейном усилителе следует использовать избирательную нагрузку – полосовой фильтр (колебательный контур), настроенный на среднюю частоту спектра входного сигнала, с шириной полосы пропускания не меньше ширины спектра усиливаемого сигнала.

 

Задание 2

Исследуйте усиление гармонического сигнала в нелинейном усилителе с кусочно-линейной характеристикой управления НЭ. Для этого выберите:

1) нелинейный элемент с кусочно-линейной характеристикой и напряжением отсечки U_ОТС =@U В,

2) гармонический входной сигнал с частотой F =@F кГц.

Установите напряжение смещения Е_СМ и амплитуду E₁ сигнала из условия получения импульсов тока НЭ максимального размаха при угле отсечки 90°.

Наблюдайте и зафиксируйте в отчете:

1) диаграмму работы усилителя;

2) спектрограммы входного напряжения и выходного тока НЭ;

3) осциллограммы и спектрограммы выходного напряжения, АЧХ при нагрузках:

а) резистор R;

б) колебательный контур (LC) c добротностью Q = 20;

в) идеальный полосовой фильтр (ПФ) с шириной полосы пропускания dF = 1 кГц.

Варианты: 1) U = –2 В, F = 2 кГц; 2) U = –3 В, F = 3 кГц;

3) U = –4 В, F = 4 кГц; 4) U = –5 В, F = 5 кГц; 5) U = –6 В, F = 1 кГц.

 

Комментарии и выводы

В режиме сильного сигнала (в усилителях большой мощности) характеристику управления усилительного элемента целесообразно аппроксимировать кусочно-линейной зависимостью, а расчет спектрального состава реакции (выходного тока) усилительного элемента проводить методом угла отсечки.

Нелинейный режим усиления целесообразно использовать для повышения к.п.д. усилителя, который с уменьшением угла отсечки θ косинусоидальных импульсов тока от 180° до 0° монотонно возрастает от 50% до 100%.

Для достижения максимальной мощности на выходе усилителя следует устанавливать оптимальный угол отсечки, исходя из формулы

где n – номер гармоники.

В случае усиления, когда полезной составляющей выходного тока является 1-я гармоника частоты входного сигнала, n = 1 и θ _опт = 120°.

Для уменьшения нелинейных искажений (подавления побочных продуктов нелинейного преобразования) в нелинейном усилителе следует использовать избирательную нагрузку – полосовой фильтр (колебательный контур), настроенный на среднюю частоту спектра входного сигнала, с шириной полосы пропускания не меньше ширины спектра усиливаемого сигнала.

Задание 3

Установите оптимальный режим усиления гармонического сигнала с частотой F =@F кГц в нелинейном усилителе. Для этого:

1) снимите функциональные характеристики (ФХ) нелинейного усилителя вида I₁ = f(Е_СМ) и I₁ = f(E₁) при u_{ВХ МАКС} = 0 (пункт меню «Исследование ФХ»),

2) определите по ним параметры оптимального режима работы нелинейного усилителя (Е_1ОПТ и Е_{СМ ОПТ}) из условия получения максимальной мощности выходного сигнала и вычислите соответствующий ему угол отсечки тока (пункты меню «Помощь» / «Вычисления»).

3) установите этот режим и получите усиление гармонического сигнала с вышеуказанной частотой, используя в качестве нагрузки колебательный контур (LC) c добротностью Q = 20.

Зафиксируйте в отчете:

1) функциональные характеристики вида I₁ = f(Е_СМ) и I₁ = f(E₁) при u_{ВХ МАКС} = 0;

2) диаграмму работы усилителя в оптимальном режиме;

3) спектрограммы входного напряжения и выходного тока НЭ;

4) осциллограмму и спектрограмму выходного напряжения.

Варианты: 1) U = –2 В, F = 2 кГц; 2) U = –3 В, F = 3 кГц;

3) U = –4 В, F = 4 кГц; 4) U = –5 В, F = 5 кГц; 5) U = –6 В, F = 1 кГц.

 

Комментарии и выводы

Нелинейный режим усиления целесообразно использовать для повышения к.п.д. усилителя, который с уменьшением угла отсечки косинусоидальных импульсов тока θ от 180° до 0° монотонно возрастает от 50% до 100%.

Оптимальный режим усиления предполагает достижение максимально возможной мощности на выходе усилителя при заданной величине максимального тока в импульсе косинусоидальной формы, определяемой максимальным значением входного напряжения u _{вх.макс}. Параметры оптимального режима можно определить:

1) Е_{см –} по абсциссе максимума функциональной характеристики вида I₁ = f(E_см) при заданной величине u _{вх.макс},

2) E_{1 макс} – по абсциссе максимума функциональной характеристики вида I₁ = f(E₁) при заданной величине u _{вх.макс}.

Оптимальная величина угла отсечки выходного тока при этом оказывается равной

где n – номер гармоники.

В случае усиления, когда полезной составляющей выходного тока является 1-я гармоника частоты входного сигнала, n = 1 и θ _опт = 120°.

 

Задание 4

Установите оптимальный режим удвоения частоты F =@F кГц в нелинейном преобразователе. Для этого снимите функциональные характеристики (ФХ) удвоителя частоты вида I₂ = f(Е_СМ) и I₂ = f(E₁) при u_{ВХ МАКС} = 0. Определите по ним параметры оптимального режима работы удвоителя частоты (Е_1ОПТ и Е_{СМ ОПТ}) из условия получения максимальной мощности выходного сигнала и вычислите соответствующий ему угол отсечки тока.

Установите этот режим и получите удвоение частоты гармонического сигнала с вышеуказанной частотой, используя в качестве нагрузки LC контур с добротностью Q = 50.

Зафиксируйте в отчете:

1) функциональные характеристики вида I₂ = f(Е_СМ) и I₂ = f(E₁) при u_{ВХ МАКС} = 0;

2) диаграмму работы удвоителя частоты в оптимальном режиме;

3) спектрограммы входного сигнала и выходного тока НЭ;

4) осциллограмму и спектрограмму выходного напряжения, АЧХ нагрузки.

Варианты: 1) U = –2 В, F = 2 кГц; 2) U = –3 В, F = 3 кГц;

3) U = –4 В, F = 4 кГц; 4) U = –1 В, F = 1 кГц.

Комментарии и выводы

Оптимальный режим удвоения частоты предполагает достижение максимально возможной мощности на выходе удвоителя частоты при заданной величине максимального тока в импульсе косинусоидальной формы, определяемой максимальным значением входного напряжения u_{вх.макс}. Параметры оптимального режима можно определить:

1) Е_{см –} по абсциссе максимума функциональной характеристики вида I₂ = f(E_см) при заданной величине u_{вх.макс},

2) E_{1 макс} – по абсциссе максимума функциональной характеристики вида I₂ = f(E₁) при заданной величине u_{вх.макс}.

Оптимальная величина угла отсечки выходного тока при этом оказывается равной

где n – номер гармоники.

В случае удвоения частоты, когда полезной составляющей выходного тока является 2-я гармоника частоты входного сигнала, n = 2 и θ _опт = 60°.

Задание 5

Установите оптимальный режим утроения частоты F =@F кГц в нелинейном преобразователе. Для этого снимите функциональные характеристики (ФХ) утроителя частоты вида I₃ = f(Е_СМ) и I₃ = f(E₁) при u_{ВХ МАКС} = 0. Определите по ним параметры оптимального режима работы утроителя частоты (Е_1ОПТ и Е_{СМ ОПТ}) из условия получения максимальной мощности выходного сигнала и вычислите соответствующий ему угол отсечки.

Установите этот режим и получите утроение частоты гармонического сигнала с вышеуказанной частотой, используя в качестве нагрузки LC контур с добротностью Q = 100.

Зафиксируйте в отчете:

1) функциональные характеристики вида I₃ = f(Е_СМ) и I₃ = f(E₁) при u_{ВХ МАКС} = 0;

2) диаграмму работы утроителя частоты в оптимальном режиме;

3) спектрограммы входного напряжения и выходного тока НЭ;

4) осциллограмму и спектрограмму выходного напряжения, АЧХ нагрузки.

Варианты: 1) U = –2 В, F = 2 кГц; 2) U = –1 В, F = 3 кГц;

3) U = –2 В, F = 4 кГц; 4) U = –1, 5 В, F = 1 кГц.

 

Комментарии и выводы

Оптимальный режим утроения частоты предполагает достижение максимально возможной мощности на выходе утроителя частоты при заданной величине максимального тока в импульсе косинусоидальной формы, определяемой максимальным значением входного напряжения u_{вх.макс}. Параметры оптимального режима можно определить:

1) Е_{см –} по абсциссе максимума функциональной характеристики вида I₃ = f(E_см) при заданной величине u_{вх.макс},

2) E_{1 макс} – по абсциссе максимума функциональной характеристики вида I₃ = f(E₁) при заданной величине u_{вх.макс}.

Оптимальная величина угла отсечки выходного тока при этом оказывается равной

где n – номер гармоники.

В случае утроения частоты, когда полезной составляющей выходного тока является 3-я гармоника частоты входного сигнала, n = 3 и θ _опт = 40°.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: