Изучение нелинейного резонансного усиления

гармонического сигнала

Переключите генераторно-измерительную систему в режим измерения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров). Включите отображение генерируемого и измеряемого сигналов.

Сформируйте гармонический сигнал:

u(t) = u₀+ U_m cos (ω ₀t),

где u₀=500 мВ, U_m=400 мВ, f₀=f_р (c точностью 0, 25 кГц). Подберите удобные пределы отображения по времени (2÷ 3 периода) и по частоте (от 0 до 4f₀).

Для наблюдения осциллограмм коллекторного тока переключите измеритель с выхода усилителя на специальный «токовый» выход (гнездо «I_э»). Изменяя напряжение смещения u₀, наблюдайте изменение импульсов коллекторного тока. Подберите смещение так, чтобы угол отсечки был примерно равен 90^о. Запишите значение u₀.

Снова подключите измеритель к выходу усилителя (гнездо «U₂»). Изменяя амплитуду входного напряжения U_m, наблюдайте изменение амплитуды выходного напряжения V_m. Подберите амплитуду U_m=0, 8U_m_.кр (при U_m> U_m_.кр она практически перестает влиять на V_m).

Для установленного режима зарисуйте осциллограммы и спектрограммы входного напряжения, а под ними — осциллограммы и спектрограммы коллекторного тока и выходного напряжения. Определите и запишите коэффициент передачи резонансного усилителя в «недонапряженном» режиме k_р₁=V_m/U_m.

3. Изучение удвоения частоты гармонического сигнала

Уменьшите частоту гармонического сигнала вдвое (f₀=f_р /2) и повторите зарисовку осциллограмм и спектрограмм напряжений и тока. Определите коэффициент передачи удвоителя частоты k_р₂=V_m₂/U_m и сравните его с коэффициентом передачи резонансного усилителя k_р₁ (измеренным в п.2).

4. Изучение колебательных характеристик резонансного усилителя

Переключите генераторно-измерительную систему в режим измерения колебательных характеристик нелинейных цепей. Задайте постоянное смещение u₀, подобранное в п.2, и частоту f₀=f_р. Включите отображение измеряемой характеристики и запустите автоматическое измерение колебательной характеристики. Подберите удобные пределы измерений (примерно 0< U_m< 2U_m_.кр) и удобный шаг измерений.

Коррекцией смещения добейтесь максимальной линейности начального участка колебательной характеристики (запишите скорректированное смещение). Зарисуйте измеренную колебательную характеристику.

Включите отображение расчетной колебательной характеристики. Методом подбора параметров математической модели, дающих наилучшую аппроксимацию измеренной характеристики, измерьте параметры резонансного усилителя («напряжение начала» характеристики транзистора u_н и уточненный коэффициент передачи усилителя в «недонапряженном» режиме k_р=dV_m/dU_m=SR_р/2).

Изменяя напряжение смещения, наблюдайте его влияние на колебательную характеристику. Зарисуйте измеренные колебательные характеристики еще при двух значениях напряжения смещения, отличающихся от исходного на 0, 2 В в каждую сторону (новые характеристики нанесите на ранее построенный график).

5. Изучение нелинейного резонансного усиления АМ-сигнала

Вернитесь в режим измерения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров). Включите отображение генерируемого и измеряемого сигналов.

Сформируйте АМ-сигнал с гармоническим законом модуляции:

u(t) = u₀+ U_нес (1 + M cos (Ω t+Φ )) cos (ω ₀t),

где u₀ — выбранное в п.4 смещение, U_нес=U_m_.кр/2, М=0, 8, F=0, 5 кГц, f₀=f_р (c точностью 0, 25 кГц). Подберите удобные пределы отображения по времени (2÷ 3 периода модуляции) и по частоте (в пределах f₀±4F).

Убедитесь в отсутствии искажений выходного сигнала. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы «неискаженного» выходного сигнала.

6. Изучение нелинейных искажений при резонансном усилении

АМ-сигнала

Отклоняясь от установленного в п.5 «оптимального» режима (изменяя u₀и U_нес), наблюдайте возникающие при этом искажения передаваемого сигнала. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы искаженных выходных сигналов для трех наиболее характерных случаев (аналогично п.5 домашнего задания).

Контрольные вопросы

1. Что такое колебательная характеристика резонансного усилителя?

2. Как рассчитать колебательную характеристику резонансного усилителя, если характеристика транзистора аппроксимирована кусочно-линейной функцией? Степенным полиномом?

3. Какой вид имеет семейство колебательных характеристик для различных напряжений смещения?

4. Что такое недонапряженный режим? Перенапряженный режим? Критический режим? Какой вид имеют осциллограммы коллекторного тока в недонапряженном и перенапряженном режимах?

5. Как изменится семейство колебательных характеристик резонансного усилителя, если изменить напряжение источника коллекторного питания? Резонансное сопротивление контура?

6. Как следует выбирать параметры контура и режим работы резонансного усилителя для обеспечения неискаженного усиления амплитудно-модулированных колебаний? Изобразите осциллограммы напряжения на базе, коллекторного тока и напряжения на контуре при работе в этом режиме.

7. Резонансный усилитель работает в режиме неискаженного усиления амплитудно-модулированных колебаний. Как изменится осциллограмма выходного напряжения, если изменить амплитуду несущей входного напряжения? Смещение? Напряжение источника коллекторного питания? Резонансное сопротивление контура?

__________

Лабораторная работа № 6

АМПЛИТУДНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ

ДИОДНЫМ ДЕТЕКТОРОМ

Цель работы — на примере амплитудного детектирования освоить методику спектрального анализа прохождения радиосигналов через линейные и нелинейные цепи.

Изучаются следующие основные вопросы:

1) понятие амплитудного детектирования сигналов; 2) процесс амплитудного детектирования сигналов диодным детектором (качественное описание); 3) понятие детекторной характеристики; 4) вид детекторной характеристики диодного детектора при сильных и слабых сигналах; 5) нелинейные искажения при амплитудном детектировании; 6) искажения при амплитудном детектировании из-за неоптимальности линейного НЧ-фильтра.

Домашнее задание

Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебник [1] (§ 11.5), учебные пособия [2÷ 4] и конспект лекций.

1. Изобразите схему последовательного диодного детектора (нагрузка включена последовательно с диодом). На схеме укажите стрелками входное и выходное напряжения.

2. Изобразите характер осциллограмм, поясняющих работу рассматриваемого детектора в режиме детектирования немодулированного сигнала. При этом для каждого из нижеуказанных случаев изобразите осциллограмму немодулированного входного напряжения u(t) и — на том же графике — ожидаемую осциллограмму выходного напряжения v(t).

Рассмотрите следующие случаи:

· емкость нагрузки С=0;

· емкость нагрузки недостаточна для нормальной фильтрации выходного напряжения;

· емкость нагрузки С®¥ (на этом графике обозначьте характерные значения — амплитуду U_m входного напряжения и постоянное выходное напряжение v₀).

3. Выпишите формулы для расчета детекторной характеристики v₀(U_m) и коэффициента детектирования k_д диодного детектора при сильных сигналах.

4. Изобразите характер:

· зависимости выходного напряжения v₀ от сопротивления нагрузки R;

· семейства детекторных характеристик при различных значениях сопротивления нагрузки R.

5. Изобразите характер осциллограмм входного u(t) и выходного v(t) напряжений при подаче на вход детектора амплитудно-модулированного напряжения (с коэффициентом модуляции около 0, 8) для трех случаев:

· емкость нагрузки недостаточна;

· емкость нагрузки выбрана правильно;

· емкость нагрузки чрезмерно велика.

Лабораторное задание

Подготовка установки к работе

Соберите последовательный диодный детектор (сопротивление нагрузки R≈ 10 кОм, емкость нагрузки С≈ 5 нФ). Подключите к детектору генераторно-измерительную систему: генераторный выход системы — к входу детектора, а измерительный вход системы — к выходу детектора.

Запустите генераторно-измерительную систему (ее ярлык — на рабочем столе). Установите режим изучения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров).

Включите отображение расчетного входного сигнала и сформируйте гармонический сигнал:

u(t) = u₀+ U_m cos (ω ₀t),

где u₀=0, U_m=5 В, f₀=10 кГц («точность» 0, 5 кГц). Установите удобные пределы отображения (примерно ± 100 мкс по времени и 0÷ 10 кГц по частоте).

Включите отображение реального генерируемого сигнала. Проверьте, что у генерируемого напряжения действительно u₀=0 и U_m=5 В. Если это не так, то выполните сервисную программу «калибровка». После этого отображение расчетного входного сигнала можно отключить.

Включите отображение реального измеряемого сигнала. Убедитесь, что наблюдаемое семейство осциллограмм входного u(t)и выходного v(t)напряжений качественно соответствует ожидаемому.

1. Изучение влияния емкости нагрузки на процесс детектирования

Подключая параллельно резистору различные конденсаторы (в порядке увеличения емкости), наблюдайте влияние емкости нагрузки C на выходной сигнал. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы входного и выходного напряжений для трех характерных случаев:

· С=С_п (паразитная емкость при отключенном конденсаторе);

· емкость нагрузки недостаточна для нормальной фильтрации выходного напряжения;

· С=С_макс (конденсатор с максимальной емкостью).

Здесь и далее на зарисованных графиках должны быть приведены шкалы значений измеряемых величин и указаны условия эксперимента.

Оставив в схеме конденсатор с максимальной емкостью, увеличьте частоту гармонического сигнала до 200 кГц. Установите новые пределы отображения: примерно ± 1 мс по времени (при этом осциллограмма входного напряжения «сжимается» в сплошную полосу) и 0÷ 500 кГц по частоте. Отключив и снова подключив конденсатор нагрузки, обратите внимание, как теперь выглядят на осциллограмме неотфильтрованные ВЧ-составляющие выходного напряжения.

Дальше работайте в новом режиме отображения.

2. Изучение влияния сопротивления нагрузки

1 23	Поделиться: