Примеры расчетов по электротехнике. Выполнение курсовой, контрольной работы Примеры расчетов по электротехнике. Выполнение курсовой, контрольной работы


Нелинейное резонансное усиление, умножение и преобразование частоты

1 Цель работы

Экспериментальное исследование физических процессов при нелинейном резонансном усилении, умножении и преобразовании частоты. Изучение выбора оптимального режима работы нелинейного элемента.

2 Литература

[1] – стр. 225...235, 252...254.

[2] – стр. 214...227, 240...242.

[3] – стр. 270...281.

[4] – стр. 70...79.

5 Конспект лекций.

3 Предварительная подготовка к работе

Ознакомиться с лабораторным заданием и изучить по литературе, указанной выше, следующие вопросы:

методы аппроксимации нелинейных характеристик;

преобразование формы и спектра сигнала нелинейным элементом при гармоническом и бигармоническом воздействиях;

методы спектрального анализа нелинейных цепей;

сущность кусочно-линейной аппроксимации и спектрального анализа методом угла отсечки;

принцип нелинейного резонансного усиления, умножения и преобразования частоты;

выбор режима работы нелинейного элемента при резонансном усилении и умножении частоты, понятие оптимального угла отсечки;

задача и проблемы фильтрации полезных спектральных составляющих при нелинейных преобразованиях радиотехнических сигналов, оценка нелинейных искажений в выходном сигнале.

Ответить (устно) на вопросы раздела 4 данной работы.

Рассчитать требуемые значения напряжения смещения Есм на затворе полевого транзистора усилительного каскада, обеспечивающие оптимальный угол отсечки в режимах:

нелинейного усиления при Umвх = 2 В;

удвоения частоты при Umвх = 4 В;

утроения частоты при Umвх = 4 В.

ВАХ полевого транзистора аппроксимирована отрезками прямых с параметрами:

Рассчитать методом угла отсечки и построить спектральные диаграммы тока для рассматриваемых режимов.

Изучить описание лабораторной установки и лабораторное задание. Продумать порядок выполнения работы в лаборатории, подготовить необходимые таблицы и графики для каждого пункта работы.

4 Вопросы для самостоятельной подготовки

Методы аппроксимации нелинейных характеристик, их сущность, условия применения.

Методы спектрального анализа нелинейных цепей, их сущность, условия применения.

Спектр тока в цепи с нелинейным безынерционным элементом:

при гармоническом воздействии;

при воздействии суммы гармонических сигналов с различными частотами.

Что такое угол отсечки тока нелинейного элемента? Как зависит он от напряжения смещения и от амплитуды входного сигнала?

Принцип работы нелинейного резонансного усилителя и умножителя частоты на основе транзисторного усилителя.

Энергетические преимущества режима работы усилителя с отсечкой тока по сравнению с линейным усилением. Оценка КПД.

Приведите временные и спектральные диаграммы, поясняющие процессы преобразования формы сигнала и его спектра в нелинейном резонансном усилителе и умножителе частоты (при удвоении и утроении частоты):

на входе;

тока нелинейного элемента;

на выходе.

Поясните сущность оптимального угла отсечки.

Оценка нелинейных искажений в выходном сигнале при нелинейном резонансном усилении и умножении частоты.

Сущность преобразования частоты (с приведением спектральных диаграмм).

Приведите простейшие схемы нелинейного резонансного усилителя, умножителя и преобразователя частоты на транзисторе.

Изложите содержание лабораторного задания к данной работе.

5 Описание лабораторного макета

Работа выполняется на блоке № 1 (рисунок 3), который позволяет проводить следующие исследования:

преобразование формы и спектра сигнала нелинейным элементом при гармоническом и бигармоническом воздействии;

нелинейное резонансное усиление;

умножение частоты;

преобразование частоты.

Рисунок 3 – Блок 1

Нелинейный преобразователь выполнен на основе усилительного каскада на полевом транзисторе. Форма и спектр тока в стоковой цепи полевого транзистора наблюдаются при включении в эту цепь активного сопротивления (кнопкой "R вкл"). При нелинейном резонансном усилении, умножении и преобразовании частоты нагрузкой усилительного каскада является параллельный колебательный контур, который подключается кнопкой "LC вкл". Его резонансная частота находится в пределах 13...15 кГц. Сигналы на входы преобразователя подаются от внешних генераторов. Точное значение частоты устанавливается с учетом значения резонансной частоты контура конкретного макета – по получению максимума напряжения на нем.

Возможность изменения добротности нагрузочного колебательного контура путем подключения дополнительного сопротивления Rш (кнопкой "Rш") позволяет изучать качество фильтрации полезных спектральных составляющих и оценивать величину нелинейных искажений выходного сигнала по виду его спектра при умножении и преобразовании частоты.

Подключение измерительных приборов к схеме для подачи сигналов и наблюдения исследуемых процессов осуществляется с помощью гнезд. Регулятор смещения и вольтметр для измерения его величины расположены на передней панели верхнего блока макета.

6 Лабораторное задание

Ознакомиться с лабораторной установкой и с используемыми в работе измерительными приборами.

Изучить экспериментально особенности преобразования формы и спектра сигнала в безынерционном нелинейном элементе при гармоническом внешнем воздействии (на примере нелинейного резистивного усилителя).

Исследовать экспериментально принцип и особенности работы нелинейного резонансного усилителя .

Изучить принцип и особенности умножения частоты на основе нелинейного резонансного усилителя и характер зависимости энергетической эффективности умножения от угла отсечки тока.

Ознакомиться с особенностями преобразования частоты на основе нелинейного резонансного усилителя.

7 Порядок выполнения работы

Включить лабораторную установку и приборы.

Для исследования процессов преобразования формы и спектра сигнала в схеме нелинейного резистивного усилителя при гармоническом внешнем воздействии необходимо: получить и зарисовать временные и спектральные диаграммы выходного напряжения (тока) при различных значениях напряжения смещения, соответствующих углам отсечки 1800 и 600 градусов.

Примечания:

Частота входного сигнала устанавливается равной резонансной частоте колебательного контура – по максимуму напряжения на нем. При этом сопротивление Rш должно быть отключено.

Необходимое напряжение смещения для соответствующего угла отсечки устанавливается с учетом заданной ВАХ транзистора и результатов расчета (смотри раздел 3). Допускается также оценка величины угла отсечки по временной диаграмме напряжения на сопротивлении нагрузки.

Амплитуда входного сигнала при угле отсечки 1800 не должна превышать 1 В.

Изучение особенностей нелинейного резонансного усиления. Данный пункт рекомендуется выполнять при угле отсечки примерно
900, для чего необходимо установить величину напряжения смещения
Есм = UО. Амплитуда входного сигнала равна 2 В. Наблюдать и зарисовать временные и спектральные диаграммы сигналов:

тока стока транзистора – напряжения на активном сопротивлении нагрузки (кнопка "R вкл." нажата);

напряжения на выходе нелинейного резонансного усилителя – на контуре (кнопка "LC вкл" нажата) при отключенном сопротивлении Rш.

Изучение особенностей умножения частоты на основе нелинейного резонансного усилителя. Наблюдать и зарисовать осциллограммы и спектральные диаграммы тока стока транзистора и напряжения на контуре для двух случаев умножения частоты:

умножения в два раза;

умножения в три раза.

 Необходимая частота входного сигнала fвх должна быть выбрана с учетом определенного выше значения резонансной частоты fрез колебательного контура и требуемого коэффициента умножения частоты, т.е. fвх = fрез / n (n – 2 и 3 соответственно).

 Амплитуда подводимого гармонического сигнала – Umвх = 4 В, напряжение смещения на затворе транзистора выбирается из условия обеспечения оптимального угла отсечки для соответствующего коэффициента умножения (см. результаты расчета раздела 3).

Примечания:

При выполнении пунктов 4 и 5 рекомендуется подстраивать частоту генератора (в небольших пределах), добиваясь максимального уровня напряжения сигнала на контуре.

Осциллограммы и спектральные диаграммы тока нелинейного элемента и напряжения на выходе изображать под соответствующими диаграммами на входе с соблюдением масштабных соотношений по осям координат.

При ознакомлении с преобразованием частоты необходимо получить и зарисовать спектральные диаграммы тока стока транзистора и напряжения на выходе для двух случаев преобразования частоты:

преобразование по частоте "вверх";

преобразование по частоте "вниз".

При преобразовании по частоте "вверх" частота fвх = 6 кГц, значение частоты второго генератора (гетеродина) fпр выбирается из условия, чтобы
fвых = fвх + fпр совпала с резонансной частотой контура. При преобразовании по частоте "вниз" частота fвх принимается равной 22 кГц, а fпр выбирается из условия, чтобы fвых = fвх – fпр была также равна резонансной частоте контура. Амплитуды обоих сигналов выбираются равными 1 В, напряжение смещения на затворе транзистора Eсм = –2 В.

8 Содержание отчета

Отчет должен содержать результаты предварительной подготовки к работе, схемы отдельных измерений для каждого пункта, результаты измерений в виде таблиц, графиков, осциллограмм и спектрограмм с соответствующими заголовками, исходными данными и пояснениями, краткие выводы и оценку результатов.