Измерения в радиоэлектронике (стр. 5 )

·  длительность импульса – интервал времени от момента появления импульса до его окончания, измеренный по уровню 0,5·Uм;

·  период следования – промежуток времени, через который повторяется импульс;

·  частота следования импульсов – параметр, связанный с периодом следования импульсов соотношением: ;

·  скважность – .

Рис. 21. Вид генерируемых импульсов

5.3. Описание лабораторной установки

Исследуемый в данной работе реальный макет генератора построен на микросхеме K1561АГ1 (рис. 22).

Структура исследуемого макета содержит регулируемые резисторы R3 и R4, предназначенные для изменения соответственно длительности импульсов и частоты их следования f. Ручки управления сопротивлением резисторов R3 и R4 выведены на лицевую панель макета.

Питание макета генератора осуществляется с помощью однополярного источника постоянного напряжения 9 В, входящего в состав лабораторного измерительного комплекса. Для снятия выходного сигнала с генератора на корпусе макета предусмотрен разъём BNC.

В данной работе, помимо анализа параметров реального макета импульсного генератора, исследуются программная модель прибора, реализующего функции генератора прямоугольных импульсов, а также виртуальный осциллограф и спектроанализатор.
Виртуальная модель построена с использованием программного пакета LabVIEW. Для работы с виртуальной моделью необходимо запустить на персональном компьютере файл “Генератор. exe”.

Рис. 22. Структура исследуемого генератора

Для того чтобы активизировать модель генератора, необходимо нажать кнопку Run Continuously, находящуюся под основным меню модели.

Лицевая панель программной модели измерительного стенда для исследования характеристик импульсных сигналов представлена на рис. 23.

Поле 1 позволяет просматривать временную реализацию последовательности импульсов, формируемую виртуальным генератором. Поле 2 отображает спектр текущей последовательности импульсов. С помощью этого поля можно наблюдать за изменением спектрального состава импульсной последовательности при изменении параметров сигнала. Органы управления 3 и 4 позволяют задать амплитуду импульсов и скважность. С помощью
поворотной ручки 5 задается частота следования импульсов.
При этом период следования импульсов имеет обратно пропорциональную зависимость от установленной частоты. Значения частоты, длительности импульсов и периода их следования можно контролировать с помощью индикаторов 6 − 8.

Рис. 23. Интерфейс виртуальной модели генератора

5.4. Порядок выполнения лабораторной работы

Исследование виртуального макета

При помощи виртуальной модели исследовать влияние длительности и частоты следования прямоугольных импульсов на спектр сигнала.

1. Установить амплитуду генерируемых импульсов на уровне не менее 6 В.

2. Установить частоту следования импульсов 10 Гц.

3. Для установленной частоты сформировать последовательность импульсов со скважностью, равной 10.

4. Наблюдать спектр полученной импульсной последовательности.

5. Определить наименьшую из частот спектра сигнала, при которой амплитуда гармоники равна нулю. В дальнейшем эту частоту будем называть частотой первого нуля спектра импульсной последовательности.

6. Занести найденное значение частоты в ячейку табл. 11, соответствующую установленной частоте следования импульсов и заданной скважности.

Т а б л и ц а 11

Определение частоты первого нуля спектра импульсной последовательности

Частота следования импульсов, Гц	10	12	13	14	15
Заданная скважность	10,0
5,0
3,0
2,0

7. Повторить пп. 3 − 6 для всех значений скважности из табл. 11. Найденные значения частоты первого нуля спектра импульсной последовательности занести в табл. 11.

8. Повторить пп. 2 − 8 при других значениях частоты следования импульсов из табл. 11.

9. Проанализировать зависимость полученных частот первого нуля спектра импульсной последовательности от частоты следования импульсов и заданной скважности.

10. Занести в отчёт не менее двух пар изображений сигнала и его спектра с указанием установленных значений скважности и частоты следования импульсов.

Исследование реального макета

Для исследования реального макета генератора собрать экспериментальную установку согласно схеме, приведенной на рис. 24. Для подключения выходного сигнала генератора к осциллографической приставке использовать кабель с разъёмами BNC-BNC.
После сборки экспериментальной установки подать на генератор напряжение постоянного тока 9 В.

Рис. 24. Схема лабораторной установки

Исследование импульсной последовательности
при неизменном периоде следования импульсов

1. Переключить осциллограф в режим наблюдения временного сигнала (режим Oscilloscope).

2. С помощью ручек управления макетом генератора задать последовательность импульсов с минимальной длительностью и минимальной частотой повторения импульсов.

3. Наблюдать на экране цифрового осциллографа выходной сигнал генератора (рис. 25).

Рис. 25. Последовательность импульсов минимальной длительности
с максимальным периодом

4. С помощью маркеров измерить значение длительности импульсов и периода их следования. Занести полученные значения в табл. 12 (период следования импульсов записать над ней).

Т а б л и ц а 12

Параметры сигнала при изменении длительности импульсов

Период следования импульсов =

Длительность импульса
Частотный интервал между нулевыми гармониками в спектре сигнала
Частотный интервал между основными спектральными линиями

5. Занести в отчёт изображение наблюдаемого временного сигнала.

6. Переключить осциллограф в режим наблюдения спектра (режим Spectrum Analyzer) и подобрать масштабные коэффициенты таким образом, чтобы можно было наблюдать два − три нуля в спектре сигнала (рис. 26). Занести изображение спектра сигнала в отчёт.

Рис. 26. Спектр последовательности импульсов минимальной длительности
с максимальным периодом

7. Измерить частотный интервал между нулевыми гармониками в спектре и между основными спектральными линиями сигнала. Полученные значения занести в табл. 12.

8. Не меняя частоту следования импульсов, только при помощи ручки изменения их длительности, расположенной на лицевой панели макета генератора, получить на экране осциллографа спектр с пятью нулями (рис. 27). Занести изображение спектра сигнала в отчёт.

Рис. 27. Спектр на экране осциллографа, содержащий пять нулей

9. Измерить с помощью осциллографа и занести в табл. 12 значения длительности импульсов сигнала, а также значения частотных интервалов между нулями в спектре и между спектральными линиями.

10. Повторяя пп. 8 и 9, получить на экране осциллографа спектр с восемью нулями (рис. 28), а параметры спектра занести в табл. 12.

Рис. 28. Спектр на экране осциллографа, содержащий восемь нулей

11. Сделать вывод о связи длительности импульсов с частотами гармоник спектра, амплитуды которых равны нулю.

Исследование импульсной последовательности
при неизменной длительности импульсов

1. С помощью ручек управления макетом генератора задать последовательность импульсов с минимальной длительностью и минимальной частотой повторения (см. рис. 25). Полученный таким образом сигнал будет иметь максимальную скважность.

2. Рассчитать период повторения импульсов и занести в табл. 13 значения параметров сигнала и его спектра, соответствующие максимальной скважности (длительность импульсов записать над табл. 13).

Таблица 13

Параметры сигнала при изменении периода следования импульсов

Длительность импульсов =

Скважность	Max	6	3
Период повторения импульсов
Частотный интервал между нулями в спектре сигнала
Частотный интервал между основными спектральными линиями

3. Установить на осциллографе режим наблюдения сигнала во временной области.

4. Не меняя длительности импульсов, только при помощи ручки изменения частоты повторения импульсов, расположенной на лицевой панели макета генератора, получить на экране осциллографа временной сигнал со скважностью, равной 6.

5. Повторить п. 2. Полученные изображения сигнала и его спектра занести в отчёт.

6. Повторить пп. 3 − 5 при скважности 3.

5.5. Содержание отчёта

1.  Таблицы, содержащие измеренные значения параметров наблюдаемых сигналов и их спектров.

2.  Вывод о зависимости между параметрами последовательности прямоугольных импульсов во временной и частотной областях.

3.  Изображения сигналов и их спектров.

4.  Сравнительный анализ реального и виртуального макетов генератора.

Лабораторная работа № 6

Измерение параметров сигнала на выходе Усилителя

Цель работы – ознакомиться с работой усилителя напряжения в режимах отсечки и насыщения, исследовать влияние режима работы усилителя на форму и спектр выходного сигнала на реальном и виртуальном макетах, произвести измерения параметров сигнала на выходе усилителя.

6.1. Задание

1. Наблюдать форму и спектр сигнала на выходе генератора с помощью цифрового осциллографа. В качестве источника входного сигнала усилителя использовать функциональный генератор лабораторного измерительного комплекса.

2. Переводя усилитель в режим отсечки или насыщения,
проследить изменение формы и спектра сигнала на выходе усилителя.

3. Наблюдать изменение формы и спектра сигнала при изменении величины амплитуды входного напряжения, а также величины напряжения питания.

4. Объяснить полученные результаты.

6.2. Краткие теоретические сведения

Усилителем электрических сигналов называется устройство, предназначенное для усиления мощности сигнала, поданного на его вход. Процесс усиления основан на преобразовании активным элементом (биполярным или полевым транзистором) энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения на нагрузке.

Работа усилительных устройств описывается рядом параметров и характеристик.

Коэффициент усиления – отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. Сигнал может описываться напряжением, током или мощностью, поэтому различают коэффициенты усиления :

·  по напряжению ;

·  по току ;

·  по мощности,

где , , , , , – напряжения, токи и мощности на входе и выходе усилителя.

Входное сопротивление усилителя (полное или резистивное ) представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя и определяется отношением входного напряжения к входному току. Характер входного сопротивления зависит от диапазона усиливаемых частот.

Выходное сопротивление (полное или резистивное ) определяется между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки.

Коэффициент демпфирования – отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению: . Для усилителей высшего класса он лежит в пределах от 10 до 100.

Выходная мощность – мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания.

Чувствительность (минимальное входное напряжение ) – напряжение, которое нужно подать на вход усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению: .

Диапазон частот усиливаемых сигналов – разность между верхней и нижней граничными частотами , в которой коэффициент усиления усилителя изменяется по определенному закону с заданной точностью.

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) определяет отличие формы реального сигнала от «идеальной» синусоиды. Коэффициент гармоник – величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала. Таким образом, коэффициент гармоник определяется по формуле

, (3)

где – действующее значение напряжения соответствующей гармоники сигнала.

Источником нелинейных искажений является нелинейность вольт-амперных характеристик (ВАХ) активных элементов усилителя. Различают несколько режимов работы усилителя.

Режим неискаженного усиления. При усилении сигнала малой амплитуды рабочая точка покоя выбирается так, что входной сигнал полностью помещается на линейном участке входной характеристики, а значение тока покоя располагается на середине этого участка (рис. 29).

Рис. 29. Работа усилителя в режиме неискаженного усиления

Режим искаженного усиления. Если амплитуда напряжения, действующего на входе усилителя, достаточно велика, то сигнал на выходе усилителя имеет нелинейные искажения, которые вызываются различными причинами. Так, при низких напряжениях на входе усилителя он может переходить в режим отсечки, где входной ток почти не зависит от изменения входного напряжения. С другой стороны, при больших значениях входного напряжения на выходе усилителя наблюдаются малые значения напряжения и усилитель может перейти в режим насыщения, где выходной ток слабо зависит от входного.

Режим неискаженного усиления характеризуется работой транзистора на почти линейных участках ВАХ. В связи с этим нелинейные искажения сигнала минимальны (коэффициент гармоник ), а КПД менее 50 %.

Режим искаженного усиления характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (коэффициент гармоник ) вследствие работы на нелинейных начальных участках ВАХ усилителя, при этом КПД лежит в пределах 60 … 70 %.

6.3. Описание лабораторной установки

Исследуемый в данной работе усилитель напряжения построен с использованием схемы операционного усилителя КР140УД708 (рис. 30).

Рис. 30. Структура усилителя напряжения

Структура исследуемого усилителя содержит регулируемые резисторы R2 и R5, предназначенные для изменения соответственно уровня усиления входного сигнала и баланса нуля. Ручки управления сопротивлением резисторов R2 и R5 выведены на лицевую панель макета.

Питание макета усилителя осуществляется с помощью однополярного источника постоянного напряжения 15 В, входящего в состав лабораторного измерительного комплекса. Для снятия выходного сигнала с генератора на корпусе макета предусмотрен разъём BNC.

Для исследования спектра сигнала на выходе усилителя в режимах отсечки и насыщения разработан виртуальный макет усилителя (рис. 31).

Рис. 31. Лицевая панель виртуального макета усилителя

На его лицевой панели можно наблюдать как исходный входной сигнал 1 и его спектр 7, так и усиленный выходной сигнал 2 и его спектр 8. С помощью ручки 3 можно установить амплитуду сигнала на входе усилителя в диапазоне от нуля до 1 В. Границы режимов насыщения и отсечки изменяются с помощью соответствующих ползунков 4 и 5, а коэффициент усиления регулируется ручкой 6 в диапазоне значений от единицы до 10.

6.4. Порядок проведения работы

Исследование виртуального макета

Для проведения исследования режимов отсечки и насыщения, их влияния на форму и спектр выходного сигнала следует подать на вход виртуального усилителя гармонический сигнал.

1. Установить амплитуду входного сигнала в диапазоне от 0,5 до 1,0 В. Установить значение усиления, равное 8. Занести в отчёт изображения сигналов и их спектров на входе и выходе усилителя.

2. Задать границу режима насыщения на таком уровне, чтобы появились нелинейные искажения усиленного сигнала, приводящие к обогащению спектра сигнала дополнительными спектральными составляющими. Занести в отчёт изображения сигнала и его спектра на выходе усилителя.

3. Произвести оценку коэффициента гармоник с помощью виртуального спектроанализатора сигнала с выхода усилителя, работающего в режиме насыщения, используя формулу (3).

4. Установить границу режима насыщения на уровне среднего значения выходного сигнала. Наблюдать изменение количества спектральных составляющих в спектре усиленного сигнала. Занести в отчёт изображения выходного сигнала и его спектра.

5. Перевести виртуальный усилитель в режим неискаженного усиления сигнала. Повторить пп. 2 – 4, изменяя уровень границы режима отсечки.

Исследование реального макета

Собрать лабораторную установку в соответствии со структурой, представленной на рис. 32.

1. Установить амплитуду выходного сигнала функционального генератора лабораторного измерительного комплекса в диапазоне от 1,0 до 3,5 В. Задать частоту сигнала в диапазоне от 1 до 10 кГц. Параметры сигнала измерить с помощью осциллографической приставки.

2. Установить режим неискаженного усиления. Для этого ручкой уровня выходного сигнала, находящейся на лицевой панели макета усилителя, задать максимальное усиление, при котором выходной сигнал не искажен. При необходимости с помощью ручки баланса нуля добиться неискаженной формы сигнала. Наблюдать сигнал без искажений (рис. 33) и его спектр. Занести в отчёт изображения сигнала и его спектра.

Рис. 32. Структура лабораторной установки

Рис. 33. Сигнал на выходе усилителя без нелинейных искажений

3. Измерить коэффициент передачи по напряжению.

4. С помощью ручки балансировки нуля перевести сигнал в режим насыщения (рис. 34). Наблюдать спектр искаженного сигнала. Занести в отчёт изображения сигнала и его спектра на выходе усилителя.

Рис. 34. Сигнал на выходе усилителя в режиме насыщения

5. Оценить коэффициент гармоник по видимой части спектра на выходе усилителя.

6. Наблюдая спектр выходного сигнала усилителя в режиме насыщения и плавно поворачивая ручку баланса нуля, необходимо получить спектр сигнала, в котором амплитуды паразитных нечетных составляющих приближены к нулю (рис. 35).

Рис. 35. Спектр сигнала в режиме насыщения

7. Перевести усилитель в режим отсечки и повторить пп. 4 – 6 (рис. 36, 37).

Рис. 36. Сигнал на выходе усилителя в режиме отсечки

Рис. 37. Спектр сигнала в режиме отсечки

8. Вернуться в режим неискаженного усиления сигнала. С помощью ручки изменения уровня выходного сигнала, расположенной на лицевой панели макета, добиться одновременной работы усилителя и в режиме отсечки, и в режиме насыщения (рис. 38). Полученные изображения выходного сигнала и его спектра занести в отчёт.

Рис. 38. Сигнал на выходе усилителя одновременно
в режимах отсечки и насыщения

6.5. Содержание отчёта

1.  Результаты исследования виртуального макета усилителя.

2.  Изображения сигналов на выходе виртуального усилителя, имеющих нелинейные искажения, и их спектры.

3.  Расчеты коэффициента гармоник в режиме отсечки и режиме насыщения виртуального усилителя.

4.  Результаты исследования реального макета усилителя.

5.  Изображения сигналов на выходе реального усилителя, имеющих нелинейные искажения, и их спектры.

6.  Расчеты коэффициента гармоник в режиме отсечки и режиме насыщения и расчет коэффициента усиления по напряжению в режиме неискаженного усиления реального макета.

7.  Оценка результатов, полученных в ходе исследования реального макета усилителя.

8.  Сравнительная характеристика реального и виртуального макетов.

Библиографический список

1. Проектирование виртуальных измерительных приборов в среде LabVIEW: практикум / Под ред. ; Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 20с.

2. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) / Г. Корн,
Т. Корн. М.: Наука, 19с.

3. Электрорадиоизмерения: учебник / [и др.]; Под ред. проф.
. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 20с.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

П р е д и с л о в и е.. 3

Описание лабораторного измерительного комп-лекса.. 4

1. Работа комплекса в режиме частотомера. 5

2. Работа комплекса в режиме функционального генератора. 7

3. Работа комплекса в режиме источника питания. 11

4. Работа комплекса в режиме цифрового мультиметра. 12

Лабораторная работа № 1. Стандартная обработка результатов прямых измерений с многократными наблюдениями 17

Лабораторная работа № 2. Цифровой мультиметр. 26

Лабораторная работа № 3. Применение цифрового осциллографи-ческого модуля для измерений. 31

Лабораторная работа № 4. Измерение характеристик полосового фильтра. 36

Лабораторная работа № 5. Измерение характеристик генератора импульсной последовательности. 44

Лабораторная работа № 6. Измерение параметров сигнала на выхо-де усилителя. 53

Библиографический список. 62

Составители: ,
, ,
, ,

Измерения в радиоэлектронике

Редактор

Корректор

Подписано в печать 23.12.2009. Формат бумаги 60х84/16. Бумага документная.

Печать трафаретная. Усл. печ. л. 3,65. Тираж 100 экз. Заказ № 000.

Балтийский государственный технический университет

Типография БГТУ

С.-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д.1