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

36 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

718. Особенности экологического менеджмента 102.5 KB
  Внедрение системы экологического менеджмента на предприятии. Создание экологичного производства. Аудит системы экологического менеджмента.
719. Проектування програмних засобів на мові Assembler та в інтерпретаторі Shell 106 KB
  Системне програмування в shell інтерпретаторі. Операційна система Windows. Системне програмування в MASM. Операційна система Linux (Ubuntu). Засоби підготування текстів.
720. Причины и условия преступности 382.5 KB
  Понятие и классификация причин и условий преступности. Сущность детерминации преступности. Основные криминологические концепции причин и условий преступности.
721. Анализ маркетинговой деятельности рекламно выставочной компании Доминанта 127 KB
  Углубление теоретических знаний по специальности Международная информация и их практическая реализация. Изучение структуры предприятия, организации и технологии производства, основных функций подразделений. Оценка социальной эффективности производственной и управленческой деятельности
722. Закон всемирного тяготения. Гравитация. Инертная и гравитационная масса 54 KB
  Согласно законам Ньютона, движение тела с ускорением возможно только под действием силы. Зависимость силы притяжения тел к Земле от расстояний между телами и от масс взаимодействующих тел.
723. Причины возникновения и суть монополии, ее суть, виды и типы 136 KB
  Определение понятия МОНОПОЛИЯ. Виды монополии и их характеристика. Факторы, способствующие возникновению монополии. Теоретическая сущность монополизма. Монополистическая конкуренция. Антимонопольное регулирование в условиях рынка.
724. Равномерное движение тела по окружности 53.5 KB
  Направление скорости при равномерном движении по окружности. Ускорение при равномерном движении тел по окружности (центростремительное ускорение).
725. Интертипные взаимодействия различных социотипов 75.5 KB
  Анализ и выработка подхода работы с приказами. Анализ каждого участника тренинга с точки зрения информационного обмена между структурами модели А. Сложные отношения со сходными жизненными установками и противоположными программами их реализации. Отношения мирного сосуществования при совпадении сильных и слабых сторон и несовпадении ценностей и интересов.
726. Определение теплопроводности твёрдого тела (пластина). 133.5 KB
  Определить коэффициент теплопроводности твёрдых тел методом сравнения с теплопроводностью эталонного материала. Физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Коэффициент теплопроводности алюминия методом сравнения с теплопроводностью эталонного материала (латуни).