Электронная промышленность Основы построения логических схем Ключи на полевых транзисторах Назначение, классификация дешифраторов Амплитудно-импульсная модуляция Нелинейное резонансное усиление

Промышленная электроника

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Тенденции и проблемы развития радиоэлектроники. Совершенствование эле-ментной базы РЭУ и РЭС. Внедрение цифровых методов обработки информа-ции. Защита информации.

Нелинейное резонансное усиление, умножение и преобразование частоты

Цель работы

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Амплитудная модуляция и детектирование ам-сигналов Экспериментальное исследование физических процессов при амплитудной модуляции и детектировании АМ – сигналов.

Частотная модуляция и детектирование ЧМ-сигналов Экспериментальное исследование физических процессов при частотной модуляции и детектировании ЧМ-сигналов.

Исследование LC-автогенератора гармонических колебаний Изучение и экспериментальное исследование особенностей работы LC-автогенератора в различных режимах самовозбуждения: мягком, жёстком, при автоматическом смещении, при внешнем воздействии.

Параметрическое возбуждение и усиление колебаний Экспериментальное исследование колебательного контура с нелинейной емкостью и физических процессов в параметрическом колебательном контуре в режиме возбуждения и усиления колебаний.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ 1. Расчет спектров периодических и непериодических сигналов. 2. Расчет параметров и частотных характеристик избирательных цепей. 3. Расчет фильтров. 4. Нелинейные цепи и режимы преобразования сигналов. 5. Расчет усилительных каскадов. 6. Расчет генераторов гармонических колебаний. 7. Импульсные устройства. 8. Устройства на основе цифровых микросхем. 9. Расчет основных характеристик приемных устройств. 10. Расчет вторичных источников питания.
Методические указания к решению задачи http://fishelp.ru/
Промышленная электроника