568_Arkhipov_s._N._Skhemotekhnika_telekommunikatsionnykh_ustrojstv_

УДК 621.385 (078)

Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»

Рецензент канд. техн. наук А.С. Чухров

Архипов С.Н. Схемотехника телекоммуникационных устройств : Учебнометодическое пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; каф. радиотехнических устройств. – Новосибирск, 2015.

– 102 с.

Учебно-методическое пособие содержит учебный материал и рекомендации по выполнению цикла лабораторных работ по курсу «Схемотехника телекоммуникационных устройств» с применением лабораторных макетов и компьютерного моделирования. В нем приводятся задания для выполнения предварительного расчета, вопросы для самопроверки, а также необходимый справочный материал по методикам измерений, расчету параметров, работе с измерительными приборами и программами компьютерного моделирования.

Пособие предназначено для студентов дневного, заочного и ускоренного обучения по направлению 11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи.

©Архипов С.Н., 2015

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2015

2

3

Введение

Подготовка специалистов в области схемотехники телекоммуникационных устройств предполагает знание теоретических основ анализа и проектирования типовых устройств телекоммуникаций. Вместе с тем, одними из важнейших составляющих подготовки являются:

формирование умений практической эксплуатации, включая методику измерений с применением измерительных приборов, планирование эксперимента, обработку результатов измерений;

применение типовых программ компьютерного моделирования для анализа параметров и оптимизации характеристик аналоговых и цифровых устройств.

Таким образом, оптимальная практическая подготовка должна включать в

себя как натурные эксперименты на базе лабораторных макетов, так схемотехническое моделирование с применением персональных компьютеров.

Лабораторное оборудование, необходимое для исследования лабораторных макетов, включает лабораторную стойку в виде настольного пульта со сменными макетами и комплект измерительных приборов (рис. ниже), к которым относятся: генератор сигналов, осциллограф, два вольтметра для измерения входного и выходного напряжений.

Комплект лабораторного оборудования

Настольный пульт имеет контрольную панель, сменную панель исследуемой схемы и панель управления. Контрольная панель содержит стрелочные измерительные приборы для контроля напряжений источников питания и коллекторных токов исследуемых усилителей, режима работы транзисторов; выключатель «Сеть»; разъемы «Вход 1», «Вход 2» и «Выход» для подключения к

4

лабораторному стенду генератора синусоидальных колебаний, осциллографа, а также вольтметров для контроля входного и выходного напряжений.

Сменные панели (лабораторные макеты) содержат элементы коммутации схемы исследуемого усилителя.

При внедрении компьютерных технологий в рамках учебного плана дисциплины «Схемотехника телекоммуникационных устройств» наиболее оптимальной для проведения лабораторного практикума является программа Electronics Workbench, называемая также виртуальной лабораторией.

Эта программа наглядна, проста в использовании и не требует дополнительной подготовки по освоению. Интуитивность и простота интерфейса делают ее доступной любому, кто знаком с основами использования Windows. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов.

Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенному к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно.

По сравнению с макетированием компьютерное моделирование имеет ряд серьезных преимуществ:

модель помогает быстро и наглядно изучить принцип работы системы;

исследовать особенности функционирования в более широком диапазоне условий, чем это возможно на реальном объекте, вплоть до аварийной ситуации;

производить документирование результатов измерений;

оперативно изменять параметры компонентов и источников сигналов;

избежать однообразных, многократно повторяющихся измерений;

сократить сроки и стоимость разработки новой техники и т. п.

Вместе с тем, программа Electronics Workbench имеет ряд ограничений:

невозможность многовариантного анализа, что не позволяет получить семейство характеристик при изменении одного или нескольких параметров компонентов;

используемой версии программы не предусмотрен многовариантный анализ при изменении температуры;

применяемые в программе версии 5.12 измерительные приборы могут одновременно выводить ограниченное количество графиков, причем осциллограф может построить графики напряжений только в двух точках схемы, а Боде-плоттер (Bode Plotter) производит построение АЧХ и ФЧХ только для одной точки схемы. Более того, программа не позволяет автоматизировать построение зависимостей от токов, напряжений, строить семейство характеристик при изменении параметров компонентов в заданных пределах. Эти зависимости могут быть построены вручную по методикам, применяемым для экспериментальных измерений на макетах.

5

Следует подчеркнуть, что ЭВМ и программы компьютерного моделирования являются лишь инструментом для изучения процессов и явлений. Как любой инструмент, они должны использоваться для решения определенного класса задач с четко оговоренными условиями и ограничениями, характерными для выбранной модели. Обязательным этапом моделирования является анализ адекватности полученных результатов реальным значениям, поскольку модель не отражает в полной мере всех свойств реальных компонентов.

6

Краткие правила по технике безопасности при проведении лабораторных работ

1.Занятия в лаборатории разрешаются только в присутствии преподавателя после прохождения инструктажа по технике безопасности.

2.Перед включением приборов следует убедиться в надежности заземлений учебной стойки и измерительных приборов.

3.В процессе выполнения лабораторных работ при обнаружении какихлибо неисправностей измерительных приборов, учебной стойки и лабораторного макета необходимо об этом немедленно сообщить преподавателю.

4.Все работы, связанные с ремонтом аппаратуры, производятся только обслуживающим персоналом.

5.После окончания работы немедленно выключить учебную стойку и привести в порядок рабочее место.

Запрещается:

без разрешения преподавателя включать учебную стойку и измерительные приборы;

производить замену блоков исследуемых лабораторных макетов;

переносить измерительные приборы с одной стойки к другой;

одновременно касаться токоведущих и заземленных частей электрической схемы, аппаратуры и оборудования.

При проведении занятий в вычислительном классе разрешается пользоваться только теми программами, которые предусмотрены методикой выполнения лабораторных работ. Без разрешения преподавателя запрещается:

○ открывать, просматривать, редактировать и удалять другие программы; ○ производить настройку параметров системы.

Правила проведения занятий в лаборатории

Подготовка к работе

Перед выполнением работы необходимо:

─ознакомиться с описанием учебной стойки и лабораторной работы;

─изучить вопросы курса, указанные в описании, по рекомендованной литературе;

─выполнить предусмотренные описанием предварительные расчеты;

─ознакомиться с применяемыми в работе измерительными приборами.

Выполнение работы

При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать следующие правила:

лабораторные работы выполняются фронтально всей группой в часы, предусмотренные расписанием, бригадами в соответствии с имеющейся комплектацией рабочих мест;

7

каждый студент перед выполнением следующей лабораторной работы должен защитить отчет по предыдущей работе, предоставить предварительный расчет и пройти собеседование по предстоящей работе;

по окончании работы студент должен представить преподавателю рабочий листок с результатами измерений, после чего выключить стойку и приборы (при работе на ЭВМ закрыть программы и выключить компьютер) и привести в порядок рабочее место.

Оформление отчета

Отчет по каждой лабораторной работе оформляется в соответствии с разделом «Содержание отчета» в описании работы. В отчете должны быть приведены принципиальные схемы исследуемых устройств, изображенные в соответствии с требованием ГОСТ. На схеме необходимо привести обозначение всех элементов и указать значение номинальных величин всех деталей.

При выполнении расчетов следует привести формулу, подстановку численных значений и результат (без промежуточных вычислений). Если расчеты однотипные, то подстановка величин производится один раз, а остальные результаты приводятся в таблице.

Экспериментальные результаты приводятся в виде таблиц, графиков и расчетов с указанием единиц измерения и соответствующего этапа измерений, например: «Измерение сквозной амплитудной характеристики» и т. п. На графиках обязательно необходимо указывать обозначение по осям.

При построении частотных характеристик по оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом масштабе (lg f), а по оси ординат – относительное усиление

где Kf, K*f и Uвых f – соответственно коэффициент усиления по напряжению, сквозной коэффициент усиления по напряжению и выходное напряжение уси-

лителя на текущей частоте, а Kf ср, K*f ср и Uвых f ср – те же параметры на средней частоте. В качестве средней частоты обычно берут 1000 Гц (для усилителя

звукового диапазона) или частоту fcp fн fв .

Отчет должен содержать краткие выводы по работе: анализ и объяснение полученных результатов, сопоставление экспериментальных данных с теоретически ожидаемыми или расчетными.

8

Лабораторная работа № 1 Измерение основных параметров и характеристик усилителя

на интегральной микросхеме

Цель работы: освоить методы измерения и расчета основных параметров и характеристик усилительных устройств с использованием лабораторного макета и измерительного оборудования.

Подготовка к работе

При подготовке к работе необходимо:

1.Изучить описание учебной стойки, краткие технические данные измерительной аппаратуры и инструкции по их применению (Прил. П.1);

2.Изучить описание исследуемого усилителя и основные технические параметры интегральной микросхемы (Прил. П.4).

3.Изучить основные параметры и характеристики усилительных устройств: входные и выходные данные, коэффициенты усиления, частотную и фазовую характеристики, амплитудную характеристику, динамический диапазон, собственные помехи усилителя, нелинейные искажения и способы их оценки; ознакомиться с методами их измерений (Прил. П.2 – П.3);

4.Составить рабочий листок для занесения в него результатов измерений. Рабочий листок составляется в соответствии с п. «Порядок выполнения работы» и содержит: краткое название выполняемого действия, обозначение измеряемого параметра (после знака равенства оставить место для записи значения, которое будет измерено в процессе работы) или заготовку таблицы для измерения характеристик. Расчетные формулы и оси для построения характеристик в рабочем листке приводить не надо. Все расчеты и построения выполняются при подготовке отчета к защите лабораторной работы. Для примера ниже показаны некоторые типовые пункты рабочего листка:

Установить частоту на генераторе входного сигнала fср = 1000 Гц

Измерение номинальных напряжений:

Еист ном = ________; Uвых ном =_________

Измерение сквозной амплитудной характеристики

Еист, мВ

Uвых, В

Установить Еист ≤ 0,5 Еист ном = ________ и т. д.

Таким образом, по рабочему листку можно заранее оценить объем работы, в процессе которой останется только вписать числовые значения.

9

Описание исследуемого усилителя

Исследуемый усилитель (активный четырехполюсник) собран на интегральной микросхеме (ИМС) типа К140УД1Б (Прил. П.4). Схема исследуемого усилителя приведена на рис. 1.2.

Сигнал от генератора гармонических колебаний подводится к входу уси-

лителя через резистор Rист = 10 кОм, выполняющий роль внутреннего сопротивления источника сигнала. Переключатель S1 позволяет подключить вольт-

метр для измерения либо ЭДС источника сигнала (Еист), либо входного напряжения (Uвх). С помощью переключателя S2 можно использовать инвертирующий вход («Вх. 1») либо неинвертирующий вход («Вх. 2») ИМС. Конденсаторы С1, С2 и С3 предназначены для разделения источника и нагрузки от схемы усилителя с по постоянному току. Резисторы R1 и R2 служат для балансировки схемы усилителя. Следует отметить, что на рис. 1.1 в целях упрощения не показаны цепи коррекции частотной характеристики.

С выхода ИМС (вывод 5) усиленный сигнал через конденсатор С3, посту-

пает в нагрузку Rн1 = 2 кОм или Rн2 = 5,1 кОм. Выбор нагрузки осуществляется с помощью переключателя S3.

Для измерения величины выходного сигнала и наблюдения его формы к выходу усилителя подключаются вольтметр и осциллограф. Питание ИМС осуществляется от биполярного источника с равными напряжениями (+15 В и –15 В) относительно общего провода (корпуса).

Упрощенная схема измерений основных параметров и характеристик усилителя с применением вольтметров (V1 и V2) показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема измерения параметров усилителя

10