Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд состоит из настольного блока и измерительных приборов.

В состав стенда входят:

• блок радиопередатчика;

• осциллограф;

• частотомер;

• милливольтметр;

• низкочастотный генератор;

• высокочастотный генератор.

На передней панели блока радиопередатчика изображено символическое обозначение отдельных функциональных узлов и связей между ними. Кроме этого на переднюю панель выведены гнезда КТ1, КТ1`, КТ2, КТ2`, КТ3, КТ3`, КТ4, КТ5, КТ6 для подключения измерительных приборов.

На передней панели размещены следующие органы управления и элементы индикации:

• тумблер «ПИТАНИЕ» - для включения сетевого блока питания макета;

• светодиод «ПИТАНИЕ» - для индикации наличия напряжения +9 В на выходе блока питания;

• регулятор «ГЛУБИНА МОДУЛЯЦИИ»;

• переключатель напряжения питания автогенераторов «U_пит ЗГ» с положениями 9 В, 7 В, 5 В;

• тумблер «ВКЛ НАГРЕВ» - для включения блока термостатирования автогенераторов;

• светодиод «ВКЛ НАГРЕВ» - для индикации включения блока термостатирования;

• светодиод «РЕЖИМ» - светится при достижении температуры внутри термостата 50⁰ С.

Схемы радиопередатчика приведены в Приложении.

На рис. П1 приведена структурная схема радиопередатчика.

Радиопередатчик состоит из термостабилизированных задающих генераторов, умножителя частоты, амплитудного модулятора, усилителя мощности и низкочастотного генератора. Во всех каскадах использованы транзисторы КТ315Б, вольтамперные характеристики которых приведены на рис. П6. Частота задающих генераторов 2 МГц, несущая частота выходного амплитудно-модулированного сигнала – 6 МГц.

При помощи переключателя В2 к умножителю частоты подключается LC-автогенератор (рис. П2) или кварцевый автогенератор (рис. П3). Вместо сигналов от внутренних генераторов на гнездо КТ1 (в верхнем положении переключателя В1) может быть подан сигнал от внешнего высокочастотного генератора.

Задающий LC автогенератор построен по двухкаскадной схеме (рис. П2). Первый каскад на транзисторе VT1 - собственно автогенератор, второй каскад на транзисторе VT2 является буферным каскадом. Автогенератор собран по схеме емкостной трехточки. Два конденсатора по 820 пФ, индуктивность 15 мкГ, конденсатор в цепи обратной связи емкостью 47 пФ и внутренние емкости транзистора определяют частоту автоколебаний. Резисторы в цепи базы и эмиттера VT1 обеспечивают комбинированное смещение на переходе база-эмиттер транзистора. Межкаскадная связь выполнена по трансформаторной схеме. Транзистор второго каскада VT2 включен по схеме эмиттерного повторителя, что обеспечивает необходимую развязку между задающим генератором и последующими каскадами передатчика.

Автогенератор с кварцевым резонатором построен на транзисторе VT3 по осцилляторной схеме, кварцевый резонатор включен в цепь между коллектором и базой (рис. П3). Следующий за кварцевым автогенератором каскад на транзисторе VT4 является буферным, включен по схеме эмиттерного повторителя, и обеспечивает необходимую развязку между задающим генератором и последующими каскадами передатчика.

Питание схем автогенераторов осуществляют от стабилизированного источника питания с выходными напряжениями 9 В, 7 В, 5 В. Изменение напряжения питания производят переключателем «U_пит ЗГ». Для исследования температурных характеристик автогенераторов в учебной установке имеется устройство нагрева, собранное по схеме рис. П7. При включении тумблера "НАГРЕВ" подается питание на стабилизатор тока, собранный на транзисторах VT14, VT15 и VT16 (типа КТ361). При этом через транзистор VT15 (типа КТ814Б) протекает ток 350...450 мА, нагревая этот транзистор вместе с радиатором. В результате температура внутри блока задающих генераторов увеличивается, достигая величины 50⁰ С. При температуре 50⁰ С срабатывает термоконтакт t⁰, загорается светодиод VD1, открывается транзистор VT13, что приводит к запиранию источника тока (уменьшается смещение на базе VT16) и временно прекращается подогрев блока. При снижении температуры внутри блока задающих генераторов транзистор VT15 снова нагревается. Таким образом через некоторое время после включения тумблера «НАГРЕВ» внутри блока задающих генераторов устанавливается температура 50⁰ С и поддерживается с высокой точностью.

Сигнал с выхода одного из задающих генераторов через переключатели В1, В2 поступает на умножитель частоты (рис. П4). Умножитель частоты построен на транзисторе VT5. Колебательный контур в коллекторной цепи транзистора настроен на 3-ю гармонику входной частоты. Далее следует буферный усилитель на транзисторе VT6 для развязки блока умножителя от последующих каскадов.

Блок усиления мощности (рис. П5) состоит из двух каскадов: амплитудного модулятора на транзисторе VT7 и оконечного усилителя мощности на транзисторе VT9. Усилитель на VT8 служит для развязки измерительного гнезда КТ4 от схемы усилителя. Амплитудный модулятор служит для формирования сигнала с амплитудной модуляцией. Модулирующее напряжение низкой частоты подается между эмиттером транзистора VT7 и общим проводом питания. В результате по закону напряжения низкой частоты меняется напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT7 (модуляция смещением на входной электрод). Модулирующее напряжение формируется в RC-автогенераторе, собранном на транзисторах VT11, VT12. С эмиттерного повторителя на транзисторе VT10 низкочастотное напряжение поступает на эмиттер VT7. Модулирующее напряжение может быть также подано от внешнего НЧ генератора на гнездо КТ3 при отключении внутреннего генератора тумблером В3.

Нагрузкой оконечного усилителя мощности на транзисторе VT9 является антенна, либо ее эквивалент (сопротивление 100 Ом), подключаемые к транзистору VT9 через согласующую П-образную цепь. Согласующая П-образная цепь обеспечивает фильтрацию высших гармоник и согласование сопротивления нагрузки оконечного каскада с эквивалентным сопротивлением нагрузки транзистора. Переключатель В4 обеспечивает подсоединение к цепи согласования антенны или ее эквивалента.

Выведенные на переднюю панель блока переключатели и разъемы позволяют подключать радиоизмерительные приборы, подавать внешние сигналы вместо сигналов, получаемых от внутренних генераторов.

Лабораторная работа №1 Изучение схемы лабораторной установки

Цель работы

1. Изучение структурной схемы радиопередатчика.

1. Получение навыков работы с измерительными приборами:

• двухканальным осциллографом;

• электронным частотомером;

• генератором высокочастотных сигналов;

• генератором низкочастотных сигналов;

• милливольтметром.

Указания по подготовке к работе

Изучить раздел «Описание лабораторного стенда» настоящих методических указаний.

Задание на лабораторную работу

1. Определить назначение контрольных точек схемы, предназначенных для проведения измерений.

2. Включить приборы и дать им прогреться в течение 15 минут.

3. Включить макет. Установить тумблеры В1 и В4 в нижнее положение. Зарисовать сигналы, измерить амплитуду и частоту колебаний во всех контрольных точках.

Указание:

• частоту измерять двумя способами (частотомером и осциллографом);

• амплитуду измерять двумя способами (милливольтметром и осциллографом).

Напряжение в контрольных точках КТ3, КТ4, КТ5 измерять в двух положениях переключателей В2 и В3 (регулятор "ГЛУБИНА МОДУЛЯЦИИ" повернуть вправо до отказа по часовой стрелке).

Содержание отчета по лабораторной работе

1. Структурная схема лабораторной установки

2. Функциональная схема лабораторного макета.

3. Результаты измерений в контрольных точках макета (осциллограммы напряжений приводить с обязательным указанием масштабов по вертикальной и горизонтальной осям).

4. Анализ и объяснение полученных результатов, выводы.

Контрольные вопросы

1. Основные параметры лабораторного макета.

2. Доказательство правильности выбора типов транзисторов.

3. Типы используемых избирательных систем.

4. Указать назначение элементов схемы (контурные, разделительные, блокировочные, элементы, обеспечивающие режимы работы транзисторов).

Лабораторная работа №2 Исследование РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Цель работы

1. Изучение принципиальной схемы ГВВ (выходного каскада радиопередатчика).

2. Расчет выходной нагрузочной системы.

3. Измерение энергетических показателей ГВВ.

4. Измерение амплитудных и амплитудно-частотных характеристик ГВВ.

Краткие теоретические сведения

Характерным признаком ГВВ является близкая к гармонической форма выходного напряжения при существенно негармоническом характере тока в выходном электроде активного элемента. Отличием биполярного транзистора от идеального активного элемента (и электронной лампы) является ограниченная скорость перемещения носителей заряда между электродами, что приводит к искажению формы коллекторного и базового тока при работе на высоких частотах . Импульс коллекторного тока запаздывает и затягивается по сравнению с косинусоидальным импульсом тока на выходе идеального активного элемента при том же угле отсечки, в импульсе базового тока появляется выброс обратной полярности, обусловленный инерционностью рассасывания зарядов в базе.

В зависимости от соотношения токов и напряжений базы и коллектора различают недонапряженный, критический и перенапряженный режимы работы ГВВ.

На вход ГВВ чаще всего подается гармоническое напряжение возбуждения

где - напряжение смещения на базе;

- амплитуда напряжения возбуждения.

При работе в режиме большого сигнала (когда в течение части периода напряжения возбуждения коллекторный ток равен нулю) под действием напряжения в цепи коллектора появляются косинусоидальные импульсы тока, которые можно представить разложением в ряд Фурье

,

где - постоянная составляющая тока коллектора;

- соответственно первая, вторая, … n-тая гармоники коллекторного тока.

При избирательном характере нагрузки, настроенной на первую гармонику входного сигнала, в коллекторной цепи ГВВ появится гармоническое напряжение

Мгновенное значение напряжения на переходе коллектор-эмиттер (точнее суммарное напряжение на двух последовательно включенных переходах – база-эмиттер и база-коллектор)

При работе на низких частотах для транзистора, включенного по схеме ОЭ, когда фазовыми сдвигами между и можно пренебречь, уравнение коллекторного тока имеет вид

где - крутизна транзистора.

С увеличением рабочей частоты появляется фазовый сдвиг между напряжением возбуждения и напряжением на переходе эмиттер-база. Фазовый сдвиг вызывается дрейфом носителей заряда в базе ( - время дрейфа) и падением напряжения на внутреннем сопротивлении базы, которое на высоких частотах приобретает комплексный характер ( - угол между током эмиттера и напряжением возбуждения).

= +

С увеличением частоты высота импульсов тока коллектора уменьшается. В токе коллектора в перенапряженном режиме появляется отрицательный выброс (верхний угол отсечки), вызванный тем, что на эмиттер возвращается часть неосновных носителей.

где - угол отсечки тока коллектора на низкой частоте, который может быть определен по вольтамперным характеристикам.

Потребляемая от источника питания мощность

Полезная (колебательная) мощность

Мощность, рассеиваемая на коллекторе,

=

Коэффициент полезного действия

Коэффициент использования напряжения

Зависимость токов, напряжений и энергетических показателей режима работы ГВВ от параметров нагрузочной системы при неизменных значениях питающих напряжений называется нагрузочная характеристика.

На рис. 2.1 представлены нагрузочные характеристики ГВВ, а на рис. 2.2 вольтамперные характеристики и формы косинусоидальных импульсов выходного тока идеализированного активного элемента.

Сопротивление нагрузочной цепи ГВВ при прочих равных условиях определяет напряженность режима работы.

- критический режим работы (КР),

- перенапряженный режим (ПР),

- недонапряженный режим (НР).

При переходе в перенапряженный режим импульс тока коллектора уменьшается по высоте и в импульсе появляется провал, что уменьшает амплитуду тока первой гармоники.

Амплитуда переменного напряжения на коллекторе в перенапряженном режиме остается почти без изменений, т.к. рост компенсируется уменьшением

Рис. 2.1. Нагрузочные характеристики ГВВ.

Рис. 2.2. Влияние нагрузки ГВВ на форму импульсов выходного тока.

Зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки в недонапряженном режиме определяется формулой

, где

В перенапряженном режиме полезная мощность падает при увеличении сопротивления нагрузки

, где

Максимум полезной мощности достигается в критическом или слегка перенапряженном режиме. Для настройки ГВВ в режим максимальной мощности необходимо вначале настроить коллекторный контур ГВВ в резонанс, а затем подобрать оптимальную связь контура с нагрузкой, при которой входное сопротивление контура становится равным , т.е. наступает критический режим. Очевидно, что при изменении питающих напряжений указанная настройка должна быть выполнена заново.

П одбор оптимальной связи с нагрузкой называется согласованием активного элемента с нагрузкой. В РПУ в качестве устройства согласования используется П-образная цепь согласования. В РПУ часто используют усложненную П-образную цепь согласования, которая может быть подстроена при изменении параметров полного входного и выходного сопротивлений. Принципиальная схема такой цепи приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Цепь согласования транзистора ГВВ с нагрузкой.

С помощью конденсатора обеспечивается настройка контура в резонанс, а изменением емкости конденсатора подбирается оптимальная связь с нагрузкой .

Вносимое в контур сопротивление

где - сопротивление связи.

Входное сопротивление цепи согласования

где

- собственное сопротивление потерь цепи согласования.

При увеличении происходит уменьшение и увеличение и увеличение напряженности режима работы ГВВ. При настройке ГВВ необходимо установить такое значение , при котором . При изменении происходит появление реактивной составляющей входного сопротивления, которая может быть скомпенсирована изменением величины конденсатора .

Зависимость режима ГВВ от настройки выходной нагрузочной системы называется настроечная или резонансная характеристика. Используемая цепь согласования имеет два резонанса: последовательный контур на частоте ( ) и параллельный контур на частоте ( ), причем . Настройка производится конденсатором , причем одновременно изменяются и . Настройка состоит в том, чтобы совместить с частотой сигнала частоту или . При выполнении равенства , т.е. при настройке на частоту сигнала параллельного контура, контур имеет чисто активное и максимальное по величине входное сопротивление . Напряженность режима при этом максимальна, амплитуда переменной составляющей напряжения на коллекторе также максимальна, импульс коллекторного тока симметричен по форме, минимален по высоте и, если режим перенапряженный, в импульсе коллекторного тока имеется провал. Если же ГВВ находится в перенапряженном режиме, то максимум полезной мощности в нагрузке может быть при этом и не достигнут. Действительно, расстраивая цепь относительно частоты сигнала, генератор выводится из перенапряженного режима, в результате чего увеличивается импульс коллекторного тока. Если в процессе настройки обеспечить равенство , то для протекания переменного тока через нагрузку создаются наиболее благоприятные условия и полезная мощность в нагрузке достигнет максимума, несмотря на то, что входное сопротивление цепи не чисто активное и меньше по модулю, чем при параллельном резонансе.