3. Экспериментальная установка
3.1. Блок-схема установки.
В установку входят: цифровой осциллограф-спектроанализатор, генератор прямоугольных импульсов, генератор синусоидальных колебаний, генератор колебаний звуковой частоты, персональный компьютер. Последний генератор применяется для амплитудной модуляции в генераторе синусоидальных колебаний. Сигнал с генераторов переключается на вход осциллографа. Сигнал, а также его спектр наблюдаются на экране персонального компьютера.
4. Порядок выполнения работы
4.1. Зарисовать спектр сигнала и сам сигнал прямоугольной формы длительностью и= 500 мкс, частотой повторения f=500 Гц. Измерить амплитуду и частоты первых 6 гармоник, а также частоту гармоники, амплитуда которой составляет около 0,05 от максимальной. Частота данной гармоники примерно соответствует полосе частот, в которой сконцентрирована основная часть энергии сигнала. Аналогичным образом исследовать спектр прямоугольного сигнала при и= 200 мкс, f= 500 Гц и и= 500 мкс, f=200 Гц.
4.2. Измерить амплитуду и частоты составляющих спектра для синусоидального сигнала частотой 10 кГц, модулированного по амплитуде синусоидальной функцией частотой 1 кГц. Измерения делать при глубине амплитудной модуляции 50% и 100%.
4.3. Рассчитать амплитуду и частоту составляющих спектра использованных сигналов и сравнить с экспериментально измеренными.
5. Содержание отчета
1. Зарисовать осциллограммы спектров прямоугольного и синусоидального модулированного сигналов с указанием амплитуд и частот, а также осциллограммы самих сигналов.
2. Рассчитать значения этих гармоник по параметрам исследуемых сигналов.
3. Сделать выводы по виду спектров исследуемых сигналов и их зависимости от параметров этих сигналов.
6. Контрольные вопросы
1. Что такое спектр сигнала?
2. Как влияет длительность прямоугольного импульса и частота его повторения на амплитуду и частоту составляющих спектра?
3. Чем определяется ширина спектра амплитудно-модулированного сигнала? Как влияет глубина модуляции на спектр?
4. Каков принцип действия спектроанализатора?
7. Литература
1. Комлик В. В. Радиотехника и радиоизмерения. Киев: Наукова думка, 1978. С. 16—21.
2. Гоноровский Н. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1977. С. 28—37; С. 114—121.
3. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. М.: Сов. радио, 1976. С. 399—402.
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЕЙШИХ СХЕМ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
И СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ
1. Цель работы
Изучение принципа действия выпрямителей. Измерение пульсаций и расчет коэффициентов фильтрации простых типов фильтров. Снятие нагрузочных характеристик и определение внутреннего сопротивления выпрямителя.
2. Краткие теоретические сведения
Выпрямление переменного тока может быть осуществлено либо с помощью электромеханических устройств, либо с помощью схем, включающих в себя нелинейные элементы — вентили. Их главное нелинейное свойство — односторонняя проводимость. По количеству фаз переменного тока выпрямители бывают однофазными и многофазными. По величине отношения выходного напряжения к входному — с умножением напряжения и без умножения. Если ток в нагрузке протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения, то такой выпрямитель является двухполупериодным (двухтактным), если ток в нагрузке протекает в течение только одного полупериода — однополупериодным (однотактным). Двухполупериодный выпрямитель получается либо добавлением к однополупериодному (рис. 1а) второго такого же выпрямителя, работающего на нагрузку параллельно с первым, но от противофазного напряжения (схема с выводом в средней точке (рис. 1б)), либо с использованием мостовой схемы (рис. 1в).
Рис. 1: схемы выпрямителей
Работу выпрямителя можно продемонстрировать с помощью графиков (временных диаграмм) напряжения на выходе выпрямителя или тока в нагрузке (рис. 2).
Рис. 2. Выпрямленное значение напряжения или тока: для однополупериодного выпрямления (вверху); для двухполупериодного выпрямления (внизу)
Из графиков видно, что выпрямленное напряжение, оставаясь постоянным по знаку, периодически меняется по времени, т. е. пульсирует. Пульсация особенно велика при однополупериодном выпрямлении. Разложение в ряд Фурье напряжения пульсаций по периоду дает следующие выражения:
,
(1)
,
(2)
где Um — амплитуда пульсаций, — циклическая частота входного переменного напряжения. Из анализа этих выражений видно, что напряжение равно сумме постоянной составляющей:
—для однополупериодного
выпрямителя,
—для двухполупериодного
выпрямителя,
переменного напряжения с основной частотой переменного тока:
—для однополупериодного
выпрямителя и
0 — для двухполупериодного выпрямителя,
и высших гармоник. Во втором случае постоянная составляющая в 2 раза больше и первая гармоника отсутствует. Это является главным преимуществом двухтактного выпрямления.
Степень пульсаций выпрямленного напряжения обычно оценивается с помощью коэффициента пульсаций:
,
(3)
где Uо — постоянная составляющая напряжения, Uп — амплитуда переменной составляющей (берется только первая гармоника). Из Фурье-разложения (1) несложно получить, что для однополупериодного выпрямителя р=1,57, а для двухполупериодного — р=0,67. В многофазных выпрямителях частота пульсаций в n раз больше, где n — число фаз. Постоянная составляющая тоже имеет повышенное значение.
Пульсирующее напряжение, в котором пульсации достигают 67%, тем более 157%, в большинстве случаев непригодно для питания радиоэлектронной аппаратуры. Необходимо применять сглаживающие фильтры. Степень подавления переменной составляющей для фильтра оценивается с помощью коэффициента фильтрации:
,
(4)
где рвх и рвых — коэффициенты пульсаций на входе фильтра (если он начинается с индуктивности или с сопротивления) и выходе фильтра (если он начинается с емкости). Формула справедлива при условии, если на фильтре не происходит заметной потери постоянной составляющей. В противном случае рвых определяется как
,
(5)
где Uовх — постоянная составляющая на входе фильтра. Простейшими фильтрами могут служить емкость С, включенная параллельно нагрузке R0 (рис. 3a), и индуктивность L, включенная последовательно с нагрузкой (рис. 3б).
Рис. 3
Однако такие фильтры обеспечивают хорошую фильтрацию лишь при весьма значительных величинах C и L. Наиболее распространены Г-образный LC (рис. 4) и П-образный CLC фильтры (рис. 5).
Рис. 4 Рис.5
Если фильтр имеет n звеньев, то общий коэффициент сглаживания определяется как произведение: s = s1 s2 s3 s4 … sn.
Важнейшей характеристикой выпрямителя, как и всякого источника питания, является его нагрузочная характеристика, показывающая зависимость выпрямленного напряжения от тока, потребляемого нагрузкой. Вид и степень этой зависимости определяются внутренним сопротивлением выпрямителя, которое слагается из активных сопротивлений фильтра, обмоток трансформатора и вентиля, а также эквивалентного сопротивления, учитывающего зависимость разряда конденсаторов фильтра от тока нагрузки.
Внутреннее сопротивление в силу нелинейности определяется как дифференциальное при токе равном рабочему:
.