Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

З.Ж.ЖАНАБАЕВ, Ж.Б.МУКАН, К.Б.КАДЫРАКУНОВ, Н.Т.ИЗТЛЕУОВ, Н.Е.АЛМАСБЕКОВ, Н.Ш.АЛИМГАЗИНОВА, Б.Т.КЕМЕРБАЕВА

ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

АЛМАТЫ - 2008

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям "Физика", «Техническая физика». Оно может быть использовано студентами и других специальностей при изучении материалов и приборов электроники.

Учебно-методическое пособие включает в себя описание одиннадцати лабораторных работ по различным разделам дисциплин: «Основы радиоэлектроники», «Электротехника» и «Схемотехника».

Цель пособия - закрепить у студентов теоретические сведения по соответствующим спецкурсам и спецсеминарам; выработать практические навыки работы с технологическими установками и измерительными приборами; обучить проведению физических экспериментов, обработке и анализу экспериментальных результатов.

Каждая лабораторная работа включает теоретическое введение, описание экспериментальной установки, порядок выполнения задания и список литературы для желающих более глубоко ознакомиться с вопросами темы.

Перед выполнением лабораторных работ студенты обязаны изучить необходимые инструкции по технике безопасности. По каждой выполненной лабораторной работе студентом составляется отчет.

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ (ПАССИВНЫХ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ)

1. Цель работы

Исследование прохождения синусоидальных и импульсных сигналов через RC-цепи, расчет электрических цепей и приобретение практических навыков в выборе рабочих режимов измерительных приборов.

2.Теоретические сведения

Вэлектронных схемах для передачи электрической энергии от источника сигналов в приемник широко применяются различные цепи, содержащие резисторы и емкости (делители напряжений, переходные и дифференцирующие, интегрирующие RC-цепи). Чаще всего эти цепи применяются для передачи напряжения, поэтому основным параметром этих цепей является коэффициент передачи по напряжению. Через выше указанные цепи передают либо синусоидальное напряжение, либо импульсные сигналы.

Входное сопротивление таких цепей (четырехполюсников) не должно шунтировать внутреннее сопротивление источника сигнала, выходное его сопротивление не должно шунтироваться входным сопротивлением приемника сигнала (нагрузки).

Так как эти цепи содержат емкость, сопротивление которой зависит от частоты, то параметры такого четырехполюсника также зависят от частоты. Поэтому для импульсных сигналов сложной формы, которые можно рассматривать как сумму гармонических сигналов, такие цепи будут являться источниками частотных искажений. Чем сложнее форма сигнала, т.е. чем сложнее спектр импульса, тем больше искажений будут вносить цепи.

4

Если на четырехполюсник воздействуют синусоидальные напряжения, то такое устройство работает в непрерывном режиме. Тогда говорят об установившимся стационарном процессе, который характеризуется определенными установившимися в цепи значениями токов и напряжений.

Импульсное же напряжение имеет прерывистую структуру, значения которого резко меняются. Цепь, имеющая реактивный элемент (в данном случае емкость), запасает энергию и изменить запас энергии мгновенно не может. Переход от одного стационарного состояния к другому называется переходным процессом и связан с изменением запаса энергии в цепи. Длительность ТПЕР переходного процесса, строго говоря равная бесконечности, практически равна трем постоянным времени цепи ТПЕР =3 . Постоянная

времени цепи – это произведение =R C , которое измеряется в секундах: 1Ом Ф =1Ом А с В-1 = 1с.

Искажения импульсов, связанные с переходными процессами, зависят от соотношения длительности импульсов и постоянной времени цепи (длительности переходного процесса в данной цепи).

2.1. Делитель напряжения

Делитель напряжения – это устройство, предназначенное, для передачи от источника сигнала в приемник в n раз меньшего напряжения, где n – коэффициент деления. Коэффициент деления n связан с коэффициентом передачи Кu следующим соотношением

Резисторный делитель напряжения можно представить в виде двух сопротивлений R1 и R2 (рис.1). Коэффициент деления

5

Знак в неравенствах (4) и (5) указывает на то, что для передачи меньшего в n раз напряжения необходимо, чтобы входное сопротивление цепи не шунтировало источник сигналов и чтобы нагрузка не шунтировала делитель. Чем больше эти неравенства, тем точнее эти выражение (3) (неравенство должно быть более чем в 10 раз).

R1

Rг

Рис. 1. Резисторный делитель напряжения

еr, Rr - ЭДС и внутреннее сопротивление источника сигнала, Rн–входное сопротивление приемника (сопротивление нагрузки)

При больших частотах синусоидального сигнала (106 107)Гц коэффициент передачи сигнала уменьшается, т.к. любая реальная цепь и реальное приемное устройство имеют паразитные входную и выходную емкости, в которые входят емкости монтажа, емкости резисторов межэлектродные емкости ламп или транзисторов приемного устройства. Поэтому для высоких частот синусоидальных сигналов надо рассматривать реальную схему делителя (рис.2). Коэффициент деления такого делителя для сигналов определенной частоты будет равен

6

Если делитель работает в импульсном режиме, то для разных его гармоник коэффициент передачи реального делителя будет разным и форма сигнала его будет искажена. Так как коэффициент передачи будет уменьшаться для высокочастотных составляющих спектра, то искажения скажутся в длительности фронтов tф1, tф2 (рис.3), и tф1≈2,2 ·R2 ·Сп (представляет собой длительность переходного процесса в цепи, определяющую нарастание импульса напряжения от 0,1 до 0,9 амплитудного значения Um).

R1

Рис. 2. Реальная схема делителя на высокой частоте

Чтобы коэффициент передачи напряжения был одинаков для всех гармонических составляющих сигнала, строят так называемые компенсированные делители (аттенюаторы) (рис.4), где Ск - переменная (подстроечная) компенсирующая емкость. В таком делителе коэффициент передачи по напряжению не зависит от частоты, если выполняется равенство

7

Uвх

Um

t

Uвых

кUm

t

tф1 tф2

Рис.3. Форма входного и выходного сигналов в реальном делителе

R1

Рис. 4. Схема аттенюатора

2.2. Переходная и дифференцирующая RС-цепи

Для связи между каскадами усилителя в большинстве случаев применяются переходные цепи, состоящие из разделительного конденсатора С и активного сопротивления R на выходе (рис.5).

Переходная цепь должна передавать сигналы без изменения амплитуды и формы с одного каскада (источника сигналов) на другой (приемник сигналов) и не пропускать постоянную составляющую напряжения.

Если на переходную цепь воздействует синусоидальное напряжение с частотой f, то согласно теории

8

четырехполюсников комплексный коэффициент передачи по напряжению имеет следующий вид:

Рис.5 Переходная RС-цепь

Выражение (9) показывает, что для высоких и средних частот Кu→1, а для низких частот коэффициент становится меньше единицы. Активное сопротивление переходной цепи должно быть таким, чтобы не шунтировать выходное сопротивление источника сигнала и чтобы его не шунтировало входное сопротивление нагрузки, т.е.

Для того чтобы на емкости цепи падение напряжения сигнала как можно меньше, необходимо выполнение неравенства

9

Чем сильнее будут выполнены неравенства (10) и (11), тем ближе коэффициент передачи Кu к единице, тем ближе данная цепь к идеальной переходной.

Рассмотрим искажения импульсного сигнала в переходной RС-цепи. Известно, что прохождение импульсных сигналов через электрические цепи характеризуют так называемой переходной характеристикой цепи h(t), которая описывает изменения во времени напряжения (тока) на выходе цепи при воздействии на входе её единичного прямоугольного скачка напряжения (тока). Переходная характеристика обычно находится операторным методом через операторный коэффициент передачи К(р)=К(jω). Для переходной RС-цепи

t

операторной переходной характеристики H(р), т.е. h(t) e RC .

Если на цепь действует не скачок напряжения, а прямоугольный сигнал, имеющий амплитуду Um и длительность tu, то выходной сигнал U2(t) является разностью двух экспонент, причем вторая экспонента запаздывает относительно первой на tu (рис.6):

Из рис. 6 видно, что искажения прямоугольного импульса после переходной цепи заключаются в спаде вершины ∆Um и равном ему отрицательном выбросе. Спад вершины обычно характеризуют относительной величиной

10