ПОСОБИЕ ПО ЛАБАМ СФУ

Экспериментальная проверка основных положений теории самовозбуждения, стационарного и переходного режимов.

Краткая характеристика исследуемой схемы

В данной работе используется левая часть схемы сменного блока АВТОГЕНЕРАТОРЫ. Генератор LC (рис. 1) собран на полевом транзисторе

с колебательным контуром в цепи стока и трансформаторной обратной связью. Частота генерации постоянна и находится в пределах 18÷20 кГц. Трех позиционный переключатель в цепи обратной связи (ОС) позволяет изменять знак ОС (+ или -) либо вообще отключать её.

Регулятор взаимной индуктивности (М) позволяет плавно изменять абсолютную величину обратной связи. Переключатель вида смещения позволяет выбрать регулируемое, или автоматическое смещение на затворе полевого транзистора. Регулировка смещения производится потенциометром в правой части стенда и контролируется вольтметром, расположенным рядом. Выше вольтметра смещения находится микроамперметр, масштаб шкалы которого можно изменять (1/10). Микроамперметр в этой работе

позволяет измерять ток стока транзистора при снятии вольтамперной характеристики.

Тумблер ПРЕРЫВАТЕЛЬ (на схеме не показан) включает электронный коммутатор, который периодически разрывает цепь обратной связи для изучения переходных процессов в автогенераторах.

Гнезда КТ 1 в данной работе не используются, гнезда КТ 2 соединены с затвором, а КТ 3 – со стоком полевого транзистора. Дифференцирующая цепь, включенная между гнездами КТ 3 и КТ 4, используется для получения

фазовых портретов на экране осциллографа при изучении переходных процессов.

В качестве измерительных приборов используются внутренние вольтметр напряжения смещения и диапазонный генератор гармонических колебаний, внутренние приборы постоянного тока, осциллограф и ПК, работающий в режиме анализа спектра (для измерения частоты генератора), а также приборы с программным обеспечением PC_Lab2000, работающие совместно с ПК.

i

C2

KT2

KT3

Рис. 1. Упрощенная схема исследуемого LС-генератора.

Домашнее задание

1.Изучите раздел теории курса (автогенераторы гармонических колебаний) по конспекту лекций и рекомендованной литературе.

2.Исследуйте стандартные схемы LC-генераторов в известных

программных пакетах. Проведите моделирование исследуемой схемы в одной из стандартных программ, например Electronics Workbench (EWB512)*.

*Работа с этой программой может предшествовать выполнению лабораторной работы на практических занятиях в компьютерном классе.

Лабораторное задание

1.Исследуйте «мягкий» и «жесткий» режимы самовозбуждения

генератора.

2.Получите амплитудные характеристики стационарного режима при разных смещениях.

3.Получите колебательные характеристики резонансного усилителя без обратной связи.

4.Наблюдайте колебания в стационарном и переходных режимах.

Методические указания

1.Исследование режимов самовозбуждения генератора

1.1. Снятие вольтамперной характеристики (ВАХ) полевого

транзистора производится с помощью внутренних источников и измерительных приборов.

Убедиться в том, что:

-все внешние провода отключены от генератора;

-обратная связь отключена (тумблер ОС в среднем положении);

-прерыватель отключен;

-тумблер вида смещения в положении – регулируемое (РЕГ.). Подготовить и внести в таблицу значения ВАХ (табл. 1).

Последовательно устанавливая значения ЕСМ из таблицы ручкой потенциометра «-ЕСМ», измерить и внести в таблицу значения тока стока.

Построить график ВАХ iC = ϕ1(UЗИ) и определить теоретические области работы генератора в «мягком» и «жестком» режимах.

1.2. Работа генератора в «мягком» режиме

Включить тумблером положительную обратную связь. Ручку «М»

регулировки величины обратной связи установить в крайнее левое положение (М=0). Подключить к выходу генератора (гнездо КТ 3) осциллограф и можно дополнительно вольтметр переменного напряжения.

По графику ВАХ определить ЕСМ, соответствующее середине линейного участка ВАХ. Установить это значение регулятором смещения базового блока.

1.3. Плавно увеличивая взаимную индуктивность ручкой «М», добиться появления генерации (по вольтметру или осциллографу). Уменьшить М, добиваясь минимальных устойчивых колебаний (не более 0.5 В). Затем с помощью регулятора ЕСМ найти такое смещение, при котором выходное напряжение генератора станет максимальным. Далее регулятором «М» добиться прекращения колебаний. Таким образом определено смещение «мягкого» режима работы автогенератора (ЕСМ1) и критическое значение величины обратной связи (МКР1), которые следует внести в табл. 2.

Таблица 2

Устанавливая ряд значений М, измерять UСТ и результаты вносить в таблицу, причем обе строки UСТ снимать при одних и тех же значениях М. По данным таблицы построить график UСТ = ϕ2 (М).

1.4. Убедившись в наличии генерации, определить частоту генерируемых колебаний по осциллографу (измерить период с учетом цены деления переключателя развертки) или по шкале одного из анализаторов спектра. Программный анализатор спектра по входу “1” ПК лабораторной установки и звуковой платы подключать к гнезду КТ 4 (для исключения шунтирования цепи стока).

1.3. Работа генератора в «жестком» режиме

Выберите предварительное положение рабочей точки на нижнем изгибе ВАХ и установите соответствующее смещение. Регулируя «М», убедитесь, что при некотором М=МКР1 происходит скачкообразное возникновение колебаний, а при некотором М=МКР2 – срыв колебаний. (МКР2 < МКР1). Если колебания вообще не возникают – немного уменьшить абсолютное значение смещения | EСМ |, а если МКР1 и МКР2 различаются незначительно – соответственно увеличить | EСМ |. Путем нескольких таких проб найти ЕСМ2 для «жесткого» режима, при котором МКР1 и МКР2 существенно различаются; внести это значение в таблицу 3 подобную таблице 2 (с добавлением значения МКР2). После окончательного выбора ЕСМ2 до полного заполнения таблицы 3 трогать ручку «ЕСМ» не рекомендуется. После завершения таблицы строятся графики UСТ = ϕ2 (М) для «жесткого» режима.

1.6. По указанию преподавателя повторить п. 1.3 для автоматического смещения; при этом переключатель вида смещения – в положение АВТ.

2.Колебательные характеристики и АЧХ

2.1. Отключить обратную связь. Соединить вход резонансного усилительного каскада без обратной связи (гнездо Кт 2) с диапазонным генератором стенда. К выходу (гнезда КТ 3) подключить осциллограф и вольтметр переменного напряжения. Установить частоту генератора около 18 кГц, выходное напряжение 0.1 В.

2.2. Определить частоту резонанса LC контура путем плавной перестройки частоты генератора в пределах 17÷20 кГц. Достижение

резонанса фиксируется по максимуму выходного напряжения (гнезда КТ 4). Значение fРЕЗ ввести в табл. 4.

2.3.При нахождении АЧХ резонансного усилителя целесообразно использовать возможности PC_Lab2000 в режиме «Редактор АЧХ» (Bode Plotter). Для этого подсоединить выход генератора функций (PCG10) PC_Lab2000 к входу (Кт 2) усилителя и настроить генератор для снятия АЧХ. Вход CH1осциллографа (PCS500) подключить к выходу усилителя (Кт 3). Включить режим анализа цепей (Circuit Analyzer) и настроить Bode Plotter (установить вертикальную шкалу, выбрать максимальную предполагаемую частоту, выбрать стартовую частоту, справой стороны окна выбрать развертку в соответствии с прогнозируемым выходным сигналом, выбрать масштаб шкалы) и стартуйте. График полученной характеристики сохранить для дальнейшего использования и отчета.

Для более подробного ознакомления используйте Help.

2.4.Установив смещение «мягкого» режима ЕСМ1 (а затем и ЕСМ2 для «жесткого»), снять зависимость UВЫХ = ϕ3(UВХ) на резонансной частоте. В качестве минимального значения принять UВХ мин = 0.1 В. Результаты измерений дать в виде первых двух строк табл. 4.

первой гармоники тока стока и входного напряжения;

∙I1 = UÂÛ Õ RÝÎ , где RЭО – резонансное сопротивление контура; его

можно найти через модуль коэффициента усиления, определенный для

2.6. По указанию преподавателя повторить исследования для автоматического смещения.

3.Исследование переходного режима

3.1.Восстановить схему генератора, отключив приборы от гнезда КТ 2

ивключить положительную обратную связь. Включить ПРЕРЫВАТЕЛЬ. Осциллограф подключается к выходу (гнезда КТ 3). Наблюдать осциллограмму переходного процесса в одном из режимов (по указанию преподавателя), отрегулировав значение «М» так, чтобы четко просматривался процесс нарастания и спада колебаний.

3.2.Для получения «фазового портрета» соединить гнездо КТ 3 со входом Х, а гнездо КТ 4 со входом Y физического осциллографа. Развертка отключается. Подобрать масштабы изображения по вертикали и горизонтали так, чтобы оно размещалось в пределах экрана осциллографа.

При использовании осциллографа PC_Lab2000 в меню “Math”

включить “XY plot” и добиться регулировками стабильного изображения графика фазового портрета автогенератора*.

*Дополнительно можно исследовать время нарастания фронта и среза

импульсов в режиме с прерыванием в зависимости от М и ЕСМ, подсчитывая при этом количество периодов до установления сигнала.

Отчет

Отчет должен содержать:

1.Результаты домашней подготовки и принципиальную схему LC

генератора.

2.Вольтамперную характеристику транзистора.

3.Амплитудные характеристики.

4.Колебательные характеристики и АЧХ.

5.Графики средней крутизны.

6.Осциллограммы переходных процессов.

Контрольные вопросы

1.Изобразить обобщенную схему автогенератора.

2.Сформулируйте критерии устойчивости и запишите условия самовозбуждения.

3.Баланс фаз и баланс амплитуд на примере изучаемой цепи.

4.Какие колебания дают начало процессу самовозбуждения?

5.Какова роль усилительного элемента в схеме автогенератора?

6.Какова роль обратной связи?

7.Какова роль нелинейного элемента?

8.От чего зависит частота генерации?

9.От чего зависит форма колебаний?

10.В чем суть квазилинейного метода?

11.Как получить зависимость SСР от амплитуды?

12.Поясните особенности «мягкого» и «жесткого» режимов. Приведите схему, учитывающую достоинства этих режимов.

13.Изобразите фазовые портреты при «мягком» и «жестком» режимах самовозбуждения.

14.Что такое колебательная характеристика?

15.Изобразите схему трехточечного автогенератора.

Лабораторная работа № 14

ИССЛЕДОВАНИЕ RC-ГЕНЕРАТОРА

Цель работы

Исследование одной из схемы автогенератора RC. Экспериментальная проверка основных положений теории RC-генераторов.

Краткая характеристика исследуемой схемы

В данной работе используется правая часть схемы сменного блока АВТОГЕНЕРАТОРЫ. Объектом исследования (рис. 1) является RC- генератор на основе двухкаскадного резисторного усилителя (К-цепь) с цепью положительной обратной связи в виде фазобалансной цепи (ФБЦ) R3 C3 R4 C4 (β-цепь). Для нормальной работы генератора К-цепь и β-цепь необходимо соединить перемычками между гнездами КТ5–КТ6 и КТ7–КТ8.

При снятых перемычках появляется возможность раздельного изучения свойств К-цепи и β-цепи.

Регулировка частоты генерируемых колебаний (в пределах 2÷5 кГц) осуществляется сдвоенным потенциометром R3R4 фазобалансной цепи (ручка ЧАСТОТА).

Ручная регулировка усиления К-цепи производится потенциометром R5, включенным в нагрузку первого каскада (ручка УСИЛЕНИЕ). С

помощью этого регулятора можно определять критическое значение коэффициента усиления и наблюдать за изменением формы генерируемых колебаний.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) включается тумблером в правом верхнем углу сменного блока. При включенной АРУ независимо от

положения ручного регулятора поддерживается практически синусоидальная форма выходных колебаний. Схема АРУ (на рис. 1 не показана) состоит из

вспомогательного усилительного каскада на операционном усилителе, коэффициент усиления которого управляется огибающей выходного сигнала. Всякое изменение амплитуды генерируемых колебаний (например, при ручной регулировке усиления) приводит к тому, что изменяется коэффициент усиления вспомогательного каскада, в результате чего выходная амплитуда возвращается на прежний уровень.

Рис. 1. Упрощенная принципиальная схема RC-генератора

Замена фазобалансной цепи на простую перемычку между гнездами КТ6–КТ8 превращает RC-генератор в мультивибратор.

При изучении переходных процессов включается ПРЕРЫВАТЕЛЬ (общий для LC и RC-генераторов).

Дифференцирующая цепь и её выход – гнездо КТ10 служат для

наблюдения фазовых портретов на экране осциллографа при выключенной развертке. В качестве измерительных приборов используются внутренние диапазонный генератор и вольтметр переменного напряжения, а также осциллограф и ПК в режиме анализатора спектра. Кроме того – приборы с программным обеспечением PC_Lab2000, работающие совместно с ПК, для

успешного использования которых необходимо использовать инструкцию и

Help.

Домашнее задание

1.Изучите основные положения теории RC генераторов по конспекту лекций и рекомендованной литературе.

2.Проведите моделирование.

3.Подготовить заготовку отчета в соответствии с методическими указаниями работы.

Лабораторное задание

1.Изменяя усиление К-цепи возбудите генератор, и проверьте выполнение условия баланса амплитуд (диапазонный генератор стенда должен быть выключен).

2.В стационарном режиме определите зависимость формы и спектра генерируемых колебаний от усиления К-цепи.

3.В стационарном режиме определите влияние β-цепи на частоту

генерации.

4.Получите релаксационные колебания, изучите влияние усиления К-цепи на частоту колебаний.

5.Исследовать переходный режим работы и фазовые портреты.

Методические указания

1.Исследование режима самовозбуждения

1.1. Соединить перемычками гнезда КТ5–КТ6 и КТ7–КТ8. Подключите вольтметр и осциллограф к выходу генератора (гнездо КТ 9). Ручка УСИЛЕНИЕ устанавливается в крайнее левое положение (К=КМИН). Ручка ЧАСТОТА – в произвольном, но неизменном в п. п. 1.1÷1.4 положении. Тумблеры ПРЕРЫВАТЕЛЬ и АРУ – выключены.

1.2.Возбуждение генератора осуществляется путем плавного увеличения усиления К-цепи (ручкой УСИЛЕНИЕ) до появления на экране осциллографа минимальных устойчивых колебаний. Измеряется и вносится в табл. 1 выходное напряжение генератора UГ.

1.3.Не меняя положений ручек ЧАСТОТА и УСИЛЕНИЕ, заменить осциллограф на анализатор спектра (на ПК), измерить и внести в табл. 1 частоту fГ.

β=UВЫХ β/UВХ β. Для этого снять перемычки, на вход ФБЦ (гнездо КТ 5) подать входное напряжение (от диапазонного генератора установки) UВХ β=1 В с

частотой f = fГ. Подключив вольтметр (или по осциллографу) к выходу β- цепи (гнездо КТ 7), измерить UВЫХ β. Результаты измерений, а также значение

βвнести в табл. 1.

1.5.Определим частоту f0, на которой ФБЦ создает нулевой фазовый сдвиг. Сохраняя подключение приборов предыдущего пункта, добавить к ним осциллограф, один из входов которого подключить ко входу, а другой к выходу ФБЦ. Перестраивая по частоте диапазонный генератор,

зафиксировать частоту f0, при которой сдвиг осциллограмм (входного и выходного сигналов ФБЦ) отсутствует. Значение f0 внести в табл. 1.

При отсутствии двухлучевого (или двухканального) осциллографа,

нулевой фазовый сдвиг между сигналами можно зафиксировать по фигуре Лиссажу на экране однолучевого осциллографа, когда эта фигура превращается в прямую линию с положительным наклоном.

Наличие в комплекте лабораторной установки приборов PC_Lab2000 облегчает выполнение этого пункта.

1.6.Для определения коэффициента усиления К-цепи подать на вход усилителя (гнездо КТ 8) напряжение от диапазонного генератора с частотой

f = fГ такой величины UВХ К, чтобы на его выходе получилось UВЫХ К = UГ. В табл. 1 внести UВХ К, UВЫХ К и К = UВЫХ К / UВХ К. Рассчитать и внести в ту же таблицу значение петлевого усиления β·К.

2. Исследование стационарного режима

2.1. Восстановить схему генератора, поставив перемычки между гнездами КТ5–КТ6 и КТ7–КТ8. Отключить все приборы от входа усилителя.