11661

ИССЛЕДОВАНИЕ LC-ГЕНЕРАТОРА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа №8 ИССЛЕДОВАНИЕ LCГЕНЕРАТОРА Цель работы: изучить работу и провести исследование LCгенератора с трансформаторной связью. Приборы и принадлежности: 1. Генератор сигналов низкочастотный типа Г3112 Г333 Л30 или аналогичный. 2. Милливо...

Русский

2013-04-10

182 KB

39 чел.

Лабораторная работа №8

ИССЛЕДОВАНИЕ LC-ГЕНЕРАТОРА

Цель работы: изучить работу и провести исследование LC-генератора с  

   трансформаторной связью.

 Приборы и принадлежности:

1. Генератор сигналов низкочастотный типа Г3-112, Г3-33, Л-30 или аналогичный.

2. Милливольтметр типа В3-38.

3. Частотомер Ч3-33.

4. Лабораторный модуль.

5. Встроенный источник питания.

8.1. Сведения из теории

Автогенератор представляет собой устройство, в котором осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока без подведения к нему внешнего переменного напряжения.

Основным узлом LC-автогенератора (рис. 8.1) является колебательная  система. Вторым обязательным узлом является источник энергии, с помощью которого пополняются запасы энергии в колебательной системе. Необходимо  еще одно устройство – регулятор, который управляет поступлением энергии от источника постоянного тока, причем синхронно с колебаниями в колебательной системе. Регулятор необходимо включить в цепь обратной связи. В качестве регулятора в генераторах можно использовать различные устройства, но наиболее совершенными являются электронные устройства: лампы, биполярные и полевые транзисторы, туннельные диоды.

Для генератора гармонических колебаний (рис.  8.2) простейшей колебательной системой служит одиночный колебательный контур, который состоит из катушки индуктивности L и конденсатора C. Потери энергии в контуре учитываются с помощью сопротивления R. Источником энергии служит источник постоянного напряжения , который отдает часть своей энергии в колебательный контур в те моменты времени, когда в его внешней цепи, состоящей из колебательного контура и последовательно соединенного с ним транзистора, проходит ток. Регулятором является транзистор, обратная связь осуществляется через общий магнитный поток, связывающий катушки индуктивности L и L'.

В момент запуска в колебательной системе автогенератора возникают свободные колебания, обусловленные включением источника питания, электрическими флуктуациями и т.д. Благодаря обратной связи, эти первоначальные колебания усиливаются, причем на первом этапе, пока амплитуды равны, усиление является практически линейным и система может рассматриваться  как линейная. Энергетически процесс нарастания амплитуд объясняется тем, что за один период колебания усилитель в инерционную нагрузку (колебательный контур) сообщает энергии больше, чем расходуется за это же время. С ростом амплитуды напряжения в схеме начинает проявляться нелинейность в системе (нелинейность вольт-амперной характеристики элемента) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуд прекращается, когда усиление снижается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в нагрузке, при этом энергия, отдаваемая усилителем за один период, оказывается равной энергии, расходуемой за это же время в нагрузке.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного положительной обратной связью (ОС):

,                                               (8.1)

где  К  – коэффициент усиления напряжения усилителя без обратной связи;  – коэффициент передачи цепи ОС.

При  введение ПОС просто увеличивает коэффициент усиления усилителя. Однако, если произведение , положение меняется – на выходе  усилителя наблюдаются колебания даже при отсутствии сигнала на входе. Происходит самовозбуждение усилителя – превращение усилителя в генератор. В реальных условиях и  К, и  зависят от частоты, кроме того, коэффициент К зависит от амплитуды выходных колебаний и температуры окружающей среды.

При анализе генераторов надо отметить, что в усилительной части могут использоваться самые разные активные элементы (и лампа, и транзистор, и туннельный диод). Различными могут быть и схемы обратной связи. Условия, о которых  дальше говорится, справедливы для установившегося режима работы автогенератора. Но для того чтобы анализируемая схема стала генератором, необходимо обязательное выполнение двух условий: отношение напряжения, поступающего из цепи ОС на вход усилительной части генератора, к вызвавшему его входному напряжению должно быть близко к единице; фазовый сдвиг между этими напряжениями должен быть близким к нулю (или кратным ). Оба условия записываются в виде комплексного уравнения

,                                                     (8.2)

которое разбивается на два:

.                        (8.3)

 

Первое уравнение называют условием баланса амплитуд, а второе – баланса фаз. Эти условия определяют частоту генератора и такие значения параметров его схемы, при которых наблюдаются стационарные гармонические колебания.

Рассмотрим трансформаторную схему генератора гармонических колебаний на биполярном транзисторе (рис. 8.2). Специфическими элементами для генератора являются L, C, L' и M.

Упрощенный анализ генератора сводится к определению частоты его стационарных колебаний и значений параметров схемы, при которых эти колебания возникают. Обратимся к эквивалентной схеме генератора (рис. 8.3), где транзистор заменен эквивалентной схемой, состоящей из входного сопротивления , выходной проводимости , источника тока  и источника э.д.с. ; сопротивление r характеризует потери в колебательном LC-контуре. Представленная схема является линейной, но справедлива только для одной амплитуды колебаний. Рассмотрим ее для амплитуды стационарных колебаний генератора (значения всех величин, входящих в эквивалентную схему транзистора, будут справедливы только для этой амплитуды).

Для эквивалентной схемы на рис. 8.3 коэффициент усиления напряжения без обратной связи

,    .           (8.4)

Напряжение на контуре

.

Напряжение обратной связи, снимаемое с катушки L,

.

Отношение  определяет коэффициент обратной связи

.                                               (8.5)

Подставляя (8.4) и (8.5) в (8.2) , получаем:

.                                   (8.6)

Так как

,                                     (8.7)

то выражение (8.6) принимает вид

.

Оно разбивается на две части – действительную и мнимую. Проведя такое разбиение и используя условие баланса фаз, получаем:

,

откуда

.                                      (8.8)

Используя условие баланса амплитуд и равенство (8.8), имеем:

,

откуда следует, что для создания незатухающих колебаний в генераторе необходимо одно условие:

.                                    (8.9)

Выражения (8.8) и (8.9) показывают, что как частота генератора, так и коэффициент связи между входом и выходом усилительной части генератора зависят от параметров и схемы, и транзистора.

При создании генератором колебаний относительно невысоких частот (в несколько раз меньше максимальной частоты транзистора), выражение (8.8) упрощается. При этом полагаем, что  и . Получаем

.

Так как , то частота колебаний генератора оказывается близкой к резонансной частоте контура:

.

Теперь рассмотрим трансформаторную схему генератора гармонических колебаний на полевом транзисторе (рис. 8.4). На эквивалентной схеме  (рис. 8.5) полевой транзистор представлен в виде генератора тока  и внутреннего сопротивления . Коэффициент усиления напряжения без обратной связи

,

где  определяется по формуле (8.7).

Коэффициент обратной связи  определяется выражением (8.5), а условие (8.2) записывается в виде

,

или

.                  (8.10)

Выражение (8.10) разбивается на два равенства (для действительной и мнимой частей), из которых получаем

.

Учитывая, что , снова получаем

.

Характер процессов, происходящих в генераторах как на биполярных, так и на полевых транзисторах, принципиально один и тот же. Однако при проектировании необходимо учитывать различия значений параметров биполярных и полевых транзисторов, которые приводят к некоторым отличиям  схем. Главные из них связаны с разными значениями входных и выходных сопротивлений.

Знак коэффициента обратной связи  изменяется при взаимной перемене мест подключения выводов катушки L', что позволяет выполнить условие баланса фаз. Баланс амплитуд обеспечивается нелинейностью амплитудной характеристики усилителя  или зависимостью его коэффициента усиления от амплитуды входного сигнала. При  (рис. 8.6) произведение  и амплитуда свободных колебаний в системе нарастает до тех пор, пока не наступит равенство . Если амплитуда свободных колебаний увеличивается настолько, что  превысит , то произведение   становится меньшим единицы, и амплитуда свободных колебаний уменьшается.

Таким образом, благодаря нелинейности амплитудной характеристики усилительного элемента амплитуда колебаний автоматически стабилизируется на уровне, соответствующем , а любые возмущения приводят к процессам, восстанавливающим это равенство.

Характерная особенность рассмотренного режима работы состоит в том, что условие самовозбуждения  выполняется для любых сколь угодно малых начальных значений амплитуд колебаний в системе. Это значит, что колебания в ней могут возникнуть от любых флуктуационных возмущений. Такой режим генерации называют мягким. Если смещение  выбрано таким, что при отсутствии сигнала на входе ток через активный элемент равен нулю, то зависимость  имеет вид, показанный на рис. 8.7. Кривая К пересекается с прямой  в двух точках. Здесь точка "а" практически ничем не отличается от точки "а" для мягкого режима. В точке "b" режим неустойчив, так как уменьшение амплитуды  способствует дальнейшему уменьшению амплитуды колебаний до нуля, а увеличение - нарастанию, ведущему к точке "а". Генератор в этом режиме не может возбудиться от флуктуационных возмущений. Для его возбуждения необходимо создавать начальные колебания с                 амплитудой на входе, которая превышает . Такой режим работы генератора называют жестким.

Как в мягком, так и в жестком режиме установление стационарной амплитуды колебаний происходит вследствие нелинейности амплитудной характеристики активного элемента, а частота колебаний равна частоте свободных колебаний в колебательном контуре.

Одной из характеристик генератора является колебательная характеристика. Колебательной характеристикой называется зависимость амплитуды первой гармоники тока в колебательном контуре  от амплитуды напряжения на входе транзистора . Таким образом, колебательная характеристика дает зависимость тока в выходном контуре от напряжения на входе. Колебательная характеристика транзистора с включенным в выходную цепь колебательным контуром:

.

С другой стороны, амплитуда напряжения на входе линейно зависит от  тока в контуре:

,      или    .

Эта зависимость изображается графически в координатах ,  и называется линией обратной связи.

Построив эти две зависимости на одном графике, можно определить амплитуду установившихся колебаний. Точка пересечения колебательной характеристики с линией обратной связи (точка "а" на рис. 8.7) является точкой устойчивого равновесия. Для доказательства достаточно предположить, что амплитуда тока в контуре меньше или больше амплитуды тока, соответствующей точке "а". Например, левее точки а любая амплитуда  через обратную связь создает , которое в соответствии с колебательной характеристикой должно эту амплитуду увеличить.

8.2. Содержание работы

1. Снять и построить зависимость частоты генератора от емкости контура . C1=1000 пФ; C2=3900 пФ; C3=5600 пФ.

2. Снять и построить зависимость коэффициента обратной связи  от изменения сопротивления  (регулируемого сопротивления).

3. Снять и построить зависимость амплитуды напряжения на контуре  от напряжения на затворе транзистора VT1 при разомкнутой цепи обратной связи.

4. Рассчитать зависимость амплитуды колебаний автогенератора от коэффициента обратной связи.

5. Провести исследования на ЭВМ. Директория RF_2.

8.3. Порядок выполнения работы

Лабораторный модуль "Исследование LC-генератора" установить в лабораторный стенд в одну из ячеек 1, 2, 3. Заземлить корпус лабораторного стенда. Включить тумблер питания лабораторного стенда и лабораторного модуля.

1. Снять и построить зависимость частоты генератора от емкости контура (C1=1000 пФ; C2=3900 пФ; C3=5600 пФ). Между гнездами 1, 2 поставить перемычку, установить переключатель Cконтура в положение 1 – (С1=1000 пФ), 2 – (С2=3900 пФ), 3 – (С3=5600 пФ).

2. Снять и построить зависимость коэффициента обратной связи  от изменения величины сопротивления . Снять перемычку между гнездами 1 и 2, подать сигнал на гнездо 3 от генератора Г3-112 с частотой 180 кГц и величиной 1 В. Сигнал снять с гнезда милливольтметром В3-38. Ручку  резистора  ""  установить поочередно в положения 1, 2, ..., 10. Занести в  таблицу и построить график.

3. Снять и построить зависимость амплитуды напряжения на катушке от напряжения на затворе транзистора VT1, подав на гнездо 1 напряжение от генератора Г3-112 с частотой 180 кГц и изменяя величину этого напряжения. Напряжение на затворе изменять от 0,2 до 3 В через 0,2 В.

4. Снять и построить зависимость амплитуды колебаний на выходе             LC-генератора  от  коэффициента обратной связи. Установить перемычку между гнездами 1 и 2. Изменением положения резистора  измерить напряжение на выходе лабораторного модуля милливольтметром В3-38. Построить график  зависимости.

8.4. Контрольные вопросы

  1.  Какое электронное устройство называют автогенератором гармонических колебаний?
  2.  Объясните  физический смысл условия баланса фаз.
  3.  Объясните физический смысл условия баланса амплитуд.
  4.  Что такое  колебательная характеристика автогенератора?
  5.  Опишите работу автогенератора гармонических колебаний на полевом транзисторе.

8.5. Литература

  1.  Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от транзистора до устройства. М.: Радио и связь, 1983. С. 203-219.
  2.  Гершунский  Б.С. Основы электроники. Киев: Высш. школа, 1977. С. 294-301.
  3.  Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1985. С. 299-314.
  4.  Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. "Радиотехника". 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. школа., 1988.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74082. Государство и право Англии 100 KB
  Накануне революции английское общество было расколото на два основных лагеря. Сторонники короля (роялисты) – представители “старого”, феодального дворянства и англиканского духовенства были опорой абсолютизма и выступали за сохранение прежних феодальных порядков и англиканской церкви. Противники абсолютизма (новое дворянство - “джентри” и буржуазия)
74083. Государство и право США в Новое время 76 KB
  Отношения американских колоний и метрополии в XVIII в. во многом определялись политикой Англии, стремящейся превратить колонии в сырьевой придаток и рынок сбыта. Это вызвало возмущение во всех слоях общества и в 60-е – начале 70-х гг. начались массовые выступления населения колоний. Королю была направлена петиция с просьбой прекратить притеснения и не давать повода к окончательному разрыву.
74084. Государство и право Франции в Новое время 144 KB
  В условиях острого кризиса абсолютизм был вынужден пойти на созыв Генеральных штатов, не собирающихся более 150 лет. Однако с самого начала работы делегаты третьего сословия, поддержанные частью других делегатов, вступили в конфликт с королевской властью. Депутаты организовались сначала в Национальное собрание, а позднее в Учредительное собрание
74085. Государство и право Германии в Новое время 93.5 KB
  Союзный акт 1815 г. стал основой для создания нового государственного объединения – Германского союза, представлявшего собой крайне расплывчатую конфедерацию. Он включал 34 государство и четыре вольных города (Франкфурт, Гамбург, Любек и Бремен), отличающихся исключительной пестротой государственных форм: одна империя (Австрия)
74086. Организация производственного процесса. Производственный процесс и принципы его организации 841 KB
  К основным относятся процессы, связанные непосредственно с превращением предмета труда в готовую продукцию (например, переплавка руды в доменной печи и превращение ее в металл; превращение муки в тесто, затем в испеченный хлеб), т.е., это технологические процессы, в ходе которых происходят изменения геометрических форм, размеров и физико-химических свойств предметов труда. Основными называются производственные процесс
74087. Типы производства и их технико-экономическая характеристика 102 KB
  Тип производства определяется комплексной характеристикой технических организационных и экономических особенностей производства обусловленных широтой номенклатуры регулярностью стабильностью и объемом выпуска продукции. Основным показателем характеризующим тип производства является коэффициент закрепления операций Кз. Различают три типа производства: единичное серийное массовое.
74088. Организация вспомогательного производства и обслуживающих хозяйств 757 KB
  Инструментальное хозяйство занимает ведущее место в системе технического обслуживания производства. Современный технический и организационный уровень машиностроения определяется высокой оснащенностью его моделями, штампами, прессформами, приспособлениями, режущим, измерительным и вспомогательными инструментами и приборами, объединенными в общий комплекс технологической оснастки.
74089. Совершенствование организации производства и оценка ее экономической эффективности 237 KB
  Совершенствование организации производства и оценка ее экономической эффективности Основные пути развития организационных резервов Многообразие производственнотехнических условий работы промышленных предприятий определяет значение различных путей использования организационных резервов. Организационные резервы производства Для того чтобы разработать пути совершенствования организации производства в объединениях и на предприятиях необходимо оценить состояние и уровень организации производства. Состояние организации производства характеризует...
74090. Концепция организации и планирования производства на предприятии 77 KB
  Концепция организации и планирования производства на предприятии. Сущность организации производства Цель курса состоит в приобретении знаний и практических навыков экономических расчётов применительно к производственным и техническим решениям...