11663

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО ЛИНЕЙНОГО ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа № 10 ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО ЛИНЕЙНОГО ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА Цель работы: исследование основных параметров линейного активного четырехполюсника – частотной амплитудной переходной импульсной характеристик Y и Zпараметров. Приборы: генерато

Русский

2013-04-10

314.5 KB

53 чел.

Лабораторная работа № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО ЛИНЕЙНОГО ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА

Цель работы: исследование основных параметров линейного активного четырехполюсника – частотной, амплитудной, переходной, импульсной характеристик, Y- и Z-параметров.

Приборы: генератор гармонических сигналов типа Г3-112, генератор прямоугольных импульсов типа Г5-54, милливольтметр типа В3-38, осциллограф, универсальный стенд, исследуемый блок, источник питания.

10.1. Краткая теория

Активный линейный четырехполюсник – четырехполюсник, построенный на активном элементе, например, биполярном или униполярном транзисторе, работающем в линейном (активном) режиме.

Важнейшей характеристикой такого устройства является коэффициент передачи. Если коэффициент передачи больше единицы, его называют коэффициентом усиления.

 Коэффициент усиления активного четырехполюсника может быть определен по мощности, напряжению и току:

,       ,       .

, ,  – выходные мощность, напряжение, ток, а , ,  – входные. Для активного четырехполюсника усиление по мощности обязательно. Наличие в схеме усилителя и его нагрузки реактивных элементов приводит к зависимости коэффициента усиления от частоты.

Особый интерес при расчете усилителей имеют значения коэффициента усиления в области средних частот, в пределах которой они не зависят от частоты:

,         .

Это действительные числа.

Форма сложного колебания на выходе линейного четырехполюсника может отличаться от формы сигнала на его входе в двух случаях:

  1.  Когда отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются не одинаково.
  2.  Когда фазовые сдвиги, которые приобретают гармонические составляющие, пройдя через четырехполюсник, изменяют их взаимный сдвиг во времени.

Искажения формы сигнала в линейной системе, вызванные этими причинами, называются линейными искажениями.

Рассмотрим четырехполюсник, на входе которого действует комплексный сигнал (рис. 10.1):

.

В результате усиления на выходной нагрузке появляется напряжение:

.

Можно построить выражение для комплексного коэффициента передачи:

.

Графически комплексный коэффициент усиления  в виде вектора  представлен на рис. 10.2. Длина вектора , характеризуемая модулем отношения , дает величину усиления на частоте , угол  – значение фазового сдвига на этой частоте.

 Амплитудно-частотная характеристика – зависимость модуля коэффициента передачи  от частоты. Для анализа четырехполюсников чаще всего пользуются нормированной частотной характеристикой :

,

где  – коэффициент передачи на средних частотах. Характеристики  и  отличаются только масштабом по вертикальной оси и в равной степени пригодны для описания частотных свойств.

Фазо-частотной характеристикой четырехполюсника  называется зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного от частоты. Эта зависимость определяется аргументом комплексного коэффициента передачи. Типичный вид фазовой характеристики представлен на рис. 10.3.

Фазовая характеристика, не создающая искажений формы колебаний, характеризуется линейной зависимостью фазового угла от частоты:

.

– время прохождения гармонических составляющих через четырехполюсник, одинаковое для всех частот.

Поскольку амплитудная и фазовая характеристики четырехполюсника представляют собой соответственно модуль и аргумент комплексного коэффициента передачи , они должны быть связаны между собой.

Введем новую функцию:

.

Действительная часть этой функции

называется логарифмическим затуханием четырехполюсника. Учитывая, что

,

комплексный коэффициент передачи можно представить в форме:

.

 Переходной характеристикой усилителя называют зависимость мгновенного значения выходного напряжения (тока)  при изменении входного напряжения (тока)  скачком (рис. 10.4). Переходная характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного состояния в другое, когда входное воздействие скачком изменилось на некоторую величину. Такое изменение на входе описывается единичной функцией:

.

Для практического использования удобны нормированные переходные характеристики , у которых по оси  ординат откладывается отношение  к , т. е.

.

Этим приемом выходное напряжение приводится  к уровню входного сигнала, что позволяет легко сравнить воздействие с эффектом, которое оно создает на выходе усилителя (рис. 10.5). Переходная характеристика широко используется до оценки искажений импульсных сигналов. На рис. 10.6, а представлен идеальный прямоугольный импульс конечной длительности, приложенный ко входу четырехполюсника. Этот импульс можно заменить суммой двух единичных скачков напряжения разной полярности, сдвинутых на время . Реакция четырехполюсника на скачок напряжения представляет его переходную характеристику. Следовательно, разность двух переходных характеристик, сдвинутых на время  (рис. 10.6, б), дает форму искаженного импульса на выходе четырехполюсника (рис. 10.6, в). Искажения импульса делят на два вида: искажения начала импульса и искажения вершины. Первые оцениваются временем установления  и выбросом , вторые – спадом вершины .

 – время установления, определяется временем нарастания сигнала от уровня 0,1 до уровня 0,9 своего стационарного значения.

 – выброс – максимальное превышение мгновенного значения напряжения над установившимся значением, выражается в % от установившегося значения напряжения.

 – спад вершины импульса, выражается также в % от стационарного значения импульса.

Формирование фронта импульса (включая выброс) обуславливается частотной характеристикой в области высоких частот, спад плоской части – поведением частотной и фазовой характеристики в области низких частот.

Переходная характеристика позволяет найти форму выходного сигнала при известной форме входного. Допустим, задано входное воздействие . Тогда форма выходного сигнала описывается интегралом свертки

.

Наряду с переходной характеристикой широко используется импульсная характеристика , которая представляет собой реакцию четырехполюсника на единичный импульс (дельта-функция Дирака ) – импульс бесконечно малой длительности с бесконечно большой амплитудой и единичной площадью. Как известно,

,

и поэтому

,

т. е. импульсная и переходная характеристики связаны простым соотношением. Знание импульсной характеристики также позволяет найти отклик на любое воздействие

.

Также следует помнить, что  и  связаны между собой парой преобразований Фурье:

,

т. е. коэффициент передачи является спектром импульсной реакции.

Свойства линейного четырехполюсника  полностью характеризуются связью между входными  и выходными  величинами. Эти зависимости описываются системой двух линейных уравнений, связывающих входные и выходные напряжения и токи. Располагая переменными , , их можно связать между собой различным образом, в зависимости от того, какую пару переменных принять за независимые величины и какую пару за их функции.

Если входное и выходное напряжения считать аргументами, а входной и выходной токи рассматривать как функции этих напряжений, то уравнение имеет вид:

,

.

Комплексные параметры Y образуют систему Y-параметров четырехполюсника. В матричной форме:

,      .

Использование коэффициентов матриц четырехполюсников позволяет существенно упростить анализ линейных четырехполюсников, пользуясь только элементарными сведениями из теории матричной алгебры.

Из уравнений легко найти смысл коэффициентов:

– входная проводимость четырехполюсника в режиме короткого замыкания на выходе;

– проводимость прямой передачи четырехполюсника в режиме короткого замыкания на выходе;

– выходная проводимость четырехполюсника при коротком замыкании на входе;

– проводимость обратной передачи в режиме короткого замыкания на входе.

Все Y-параметры находятся в режиме короткого замыкания на входе или на выходе четырехполюсника и называются параметрами короткого замыкания. Зная Y-параметры, можно определить коэффициенты передачи по напряжению, току, мощности, входное и выходное сопротивление и т. д.

Эквивалентная схема произвольного активного четырехполюсника, построенная с использованием Y-параметров, приведена на рис. 10.7. При любой сложности реального четырехполюсника эквивалентная схема содержит только два независимых генератора тока  – передача в обратном направлении с выхода на вход, т. е. обратная связь, и  – передача в прямом направлении со входа на выход, и две проводимости.

Если принять за независимые переменные входной и выходной токи, а входное и выходное напряжение рассматривать как функции этих токов, то уравнения четырехполюсника примут вид:

,

.

Все Z-параметры, представляющие комплексные сопротивления, находятся из режимов холостого хода на входе и выходе четырехполюсника:

,   ,   ,   .

Эквивалентная схема четырехполюсника, использующая Z-параметры,  вытекает из формы записи исходных уравнений и приведена на рис. 10.8.

10.2. Описание лабораторной установки

В данной работе в качестве линейного активного четырехполюсника, параметры которого исследуются, использован однокаскадный транзисторный усилитель, принципиальная схема которого дана на рис. 10.9. Схема измерительного блока дана на макете.

10.3. Порядок выполнения работы

10.3.1. Измерение амплитудной характеристики

Подключите ко входу схемы генератор Г3-112, а к выходу – вольтметр В3-38. Соедините клеммы питания усилителя с клеммами источника питания. Не путайте полярность напряжения питания!!!

Измерения проводятся на средней частоте. В данном случае можно взять частоту генератора Г3-112 в диапазоне 8-10 кГц. Прежде чем включать генератор, убедитесь, что ручки регулировки напряжения установлены на нулевое напряжение на выходе!!!

Снять зависимость выходного напряжения  от входного . Контролируйте форму выходного сигнала осциллографом. При появлении искажений (ограничение) эксперимент заканчивают.

Постройте график и определите область входных напряжений, при которых усилитель работает в линейном режиме.

ВНИМАНИЕ! В дальнейшем строго следите за тем, чтобы при выполнении всех последующих измерений входные напряжения не превышали предельно допустимых.

10.3.2. Измерение амплитудно-частотной характеристики усилителя.

Подключение приборов – как в пункте 10.3.1. Снять зависимость выходного напряжения от частоты при постоянном входном сигнале. Построить АЧХ, найти нижнюю  и верхнюю  граничные частоты, т. е. частоты, на которых выходное напряжение уменьшается до уровня 0.7 от напряжения в области средних частот. Вычислить полосу пропускания усилителя: . Определить коэффициент усиления в области средних частот. Убедитесь, что амплитудная характеристика (п. 10.3.1) снималась в диапазоне средних частот.

10.3.3. Исследование переходной характеристики

Ко входу усилителя подключить генератор Г5-54, к выходу – осциллограф. Установите частоту следования импульсов 50 Гц, длительность 30-50 мкс, сдвиг импульсов 2-5 мкс (для удобства наблюдения фронта импульса). Импульсы отрицательной полярности. Синхронизация внешняя от того же генератора.

Измерить длительность фронта, величину выброса и спад вершины. Зарисуйте импульс на миллиметровке. Протабулируйте и используйте ЭВМ или проведите графическое дифференцирование для получения импульсной характеристики.

При работе на ЭВМ запустите программу вычисления импульсной характеристики по измеренной переходной imp_har.mcd: наберите  mcad.exe imp_har.mcd, находясь в директории, указанной в приложении. Указания, как работать, есть внутри. Введите свои данные и запишите рассчитанную импульсную характеристику.

10.3.4. Исследование импульсной характеристики

Подключение такое же, как в пункте 10.3.3. Длительность импульсов 0.3-2 мкс, частота 50 Гц, амплитуда 2-4 В. Нанесите расчетные данные  на экспериментальную кривую. Сравните результаты.

10.3.5. Измерение Y-параметров

ВНИМАНИЕ!!!

  1.  Приборы не заземлять!!!
  2.  Перед изменением схемы для измерения нового параметра загрубляйте чувствительность вольтметра!

Учитывайте амплитудную и частотную характеристики.

Измерение входных и выходных токов производится по рис. 10.11-14 измерением падения напряжения на известном сопротивлении 30 Ом. При подаче напряжения на выход амплитуда напряжения 0.5-3 В. Режим короткого замыкания задается подключением конденсатора емкостью 30 мкФ к выходу или входу. Результаты измерения Y-параметров представьте в форме:

Uвх=U1=           мВ

JR=Jвх=J1=       мА

UR=               мВ

Y11=

Uвых=U2=         мВ

JR=Jвх=J1=       мА

UR=               мВ

Y12=

Uвх=U1=           мВ

JR=Jвых=J2=     мА

UR=               мВ

Y21=

Uвых=U2=         мВ

JR=Jвых=J2=     мА

UR=               мВ

Y22=

10.3.6. Измерение Z-параметров

Измерения проводятся аналогично пункту 10.3.5 по рис. 10.15-18, но без режима короткого замыкания (переключатель конденсатора в среднем положении). Результаты измерения Z-параметров представить в той же форме, как и Y-параметров.

10.4. Контрольные вопросы

  1.  Амплитудная, частотная, фазовая характеристики четырехполюсника. Связь между ними.
  2.  Переходная и импульсная характеристики четырехполюсника и связь между ними.
  3.  Способы отыскания отклика четырехполюсника на произвольный входной сигнал по известным переходной и импульсной характеристикам.
  4.  Y и Z-параметры четырехполюсника. Связь между ними.
  5.  Способы создания режимов холостого хода и короткого замыкания на входе и выходе четырехполюсника.
  6.  Блок-схема измерений параметров активного четырехполюсника.
  7.  Эквивалентные схемы четырехполюсников с использованием Y и Z-параметров.

10.5. Литература

  1.  Основы радиофизики. - М.: УРСС, 1996 / Под ред. А.С. Логгинова, с. 28-31, 39-43, 135-138.
  2.  Манаев И.Е. Основы радиоэлектроники. – М.: Радио и связь, 1985, с. 64-65, 69-70.
  3.  Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. – М.: Радио и связь, 1983, с. 10-30.
  4.  Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991, с. 80-91, 215-225.


      
                                                                                       

       J1                            J2                                    

            

                                                                                 

                      Рис. 10.1

         K0

                                                                                Рис. 10.2

                       

           U1(t)

          

         

                             а)     1          

                 t

          идеальная           

            Рис. 10.3

       U2(t)       h(t)

           1

                h(t)

     б)

                h(t-)

            t

 Рис. 10.4

        U2(t)

                Q(t)

                   1,0

       1      в)

 t 

                      Рис. 10.5      Рис. 10.6

                               

                           

Рис. 10.7

                                         

                 ~        ~                              

Рис. 10.8

     -9 В

    30 К            4,7 К

        3,3

         3,3

        Вход             Выход

      2,4 К  1,6 К     10,0

Рис. 10.9

       Г5-6А          Исследуемый

     четырехполюсник         С1-65

Рис. 10.10

                                     В3-38

           Г3-112

    30   вх       вых  30 мкФ

            В3-38

Рис. 10.11. Измерение  

                                 В3-38

           Г3-112          30 мкФ

            вх         вых  30       В3-38

   Рис. 10.12. Измерение  

       В3-38   

            Г3-112

30 мкФ                 вх         вых    30

      В3-38

Рис. 10.13. Измерение  

             Г3-112

В3-38          30             вх        вых

 

       В3-38

                      

   Рис. 10.14. Измерение  

                                     В3-38

           Г3-112

    30   вх       вых  

            В3-38

Рис. 10.15. Измерение  

                                     В3-38

           Г3-112

    30   вх       вых  В3-38

            В3-38

Рис. 10.16. Измерение  

         Г3-112

      В3-38             вх        вых     30

      В3-38

Рис. 10.17. Измерение  

          В3-38

         Г3-112

      В3-38             вх        вых     30

      В3-38

Рис. 10.18. Измерение  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82744. ТЕХНОЛОГИИ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА КОРМОВ 503 KB
  При решении кормовой проблемы необходимо увеличивать валовое производство кормов а также планировать мероприятия по ликвидации дефицита протеина в кормах. Резервы увеличения производства кормов у нас огромны: продуктивность кормовых угодий можно довести даже до 10 тыс. кормовых единиц.
82745. Економічна теорія Рікардо 150.5 KB
  Предметом свого дослідження він назвав закони розподілу доходів у суспільстві. Його цікавив не тільки спосіб виробництва вартості та її складових частин, скільки спосіб розподілу між різними класами прибутку, ренти, відсотка і заробітної плати.
82746. НАРОДЖЕННЯ ЗІРОК 122 KB
  Гершель наприклад був абсолютно упевнений що він не тільки знайшов множину хмар дозіркової речовини але навіть власними очима бачить як ця речовина під дією тяжіння поступово змінює свою форму і конденсується в зірки. З одного боку вони зрозуміли що зірки не можуть світити вічно.
82747. Типы ветроэнергетических установок 175.5 KB
  Посадки деревьев вблизи ветряных мельниц запрещались для обеспечения свободного ветра. Основные термины и понятия ветер: движение воздуха относительно земной поверхности вызванное неравномерным распределением атмосферного давления и характеризующееся скоростью и направлением средняя скорость ветра...
82748. ФИЛОСОФИЯ И НАУКА 106 KB
  Связи между наукой и философией фундаментальны. Науку и философию роднит то, что они являются сферами рациональной и доказательной духовной деятельности, ориентированными на достижение истины, которая в ее классическом понимании есть «форма согласования мысли с действительностью».
82749. Тенденции развития и географии маршрутов автобусного туризма 133.5 KB
  Наиболее полно насладиться красотами Европы подробно ознакомиться с историей культурой традициями и обычаями народов Европы дают именно автобусные туры. Автобусные туры предполагают непосредственное погружение в повседневную жизнь и дают возможность лучше почувствовать современный ритм Европы.
82750. Основные свойства и бласть эксплуатации строительного материала 34.48 KB
  Основные свойства строительного материала По составу можно выделить органические минеральные и металлические кровельные материалы. К органическим относятся старейшие кровельные материалы солома дранка и современные битумные битумно-полимерные и полимерные материалы.
82751. Особенности индустриальной модернизации России в начале XX века 134.5 KB
  И перед новой властью неизбежно встал вопрос: а что же дальше? А дальше, вне зависимости от политических пристрастий большевистского режима на первый план выдвигалась проблема модернизации страны, ещё более обострившаяся по сравнению с началом XX века.
82752. Великое княжество Литовское 122.5 KB
  Борьба Литвы Польши и Западной Руси против рыцарей Тевтонского ордена. Отношения Руси и Литвы были настолько тесными что существовала реальная возможность развития и существования Русского государства по литовскому пути. Наибольшее сопротивление орден встретил со стороны Литвы к этому времени...