Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Пьезорезонансные нелинейные измерительные преобразователи» (стр. 7 )

Такое периодическое изменение ёмкости конденсатора вызывает непрерывное нарастание амплитуды колебаний, т. е. происходит усиление напряжения. Процесс усиления сопровождается затратой механической энергии на раздвижение пластин, связанных между собой силами электрического поля. При сближении пластин, происходящим в моменты отсутствия напряжения на конденсаторе, затраты энергии отсутствуют, так как электрическое поле между пластинами исчезает.

Рисунок 4.2 – Графики, поясняющие процесс параметрического усиления.

Таким образом, в результате затрат механической энергии на перемещение пластин конденсатора увеличивается напряжённость электрического поля, что сопровождается увеличением напряжения на конденсаторе; иначе говоря, механическая энергия преобразуется в энергию электрического поля. При таком процессе каждые полпериода в контур как бы «накачивается» энергия, и поэтому устройство, предназначенное для этих целей, названо генератором накачки. Частота «накачки», как это следует из существа процесса, должна быть вдвое больше частоты принимаемого сигнала.

В практических схемах ПУ в качестве элемента с управляемой ёмкостью используются полупроводниковые диоды, ёмкость запирающего слоя которых может изменяться в зависимости от приложенного к диоду напряжения. Этим напряжением должно быть напряжение генератора накачки. Запирающий слой в полупроводниковом диоде характеризуется слабой концентрацией свободных носителей зарядов, по обе стороны которой расположены подвижные носители зарядов противоположных знаков.

Такое устройство полупроводникового перехода напоминает конденсатор, роль диэлектрика в котором выполняет область запирающего слоя, а роль электродов – области с подвижными носителями противоположных зарядов. Ёмкость такого конденсатора будет зависеть от толщины запирающего слоя, которая, в свою очередь, может изменяться в зависимости от подводимого к этому слою напряжения.

Возвращаясь к механизму усиления в ПУ, можно сказать, что процесс «накачки» энергии через изменяющуюся ёмкость колебательной системы и вызываемое им увеличение напряжения сигнала можно рассматривать как результат внесения в колебательной контур отрицательного сопротивления, что приводит к уменьшению потерь в контуре и возрастанию его добротности. Такое толкование позволяет считать, что усилитель работает в регенеративном режиме, однако в отличие от обычной регенерации, обусловленной положительной обратной связью, подобная регенерация называется параметрической, поскольку она возникает в результате изменения ёмкости колебательной системы. Регенерация в параметрическом усилителе будет зависеть от мощности накачки: если вносимое в контур отрицательное сопротивление превысит собственное сопротивление потерь в контуре, то усилитель возбудится, т. е. система превратится в параметрический генератор.

ПУ относится к категории усилителей с низким коэффициентом шума. В усилителях, в которых используются электронные лампы или транзисторы, главным источникам шума является управляемый поток электрических зарядов. Принцип параметрического усиления не связан с управлением потоком зарядов, и поэтому шумы в таком усилителе резко уменьшается.

Расчетная часть

Системные требования: Pentium-150MHz, 16Mb RAM, Windows 9x или Windows NT, Microsoft Word, Micro-Cap.

Цель работы: Научиться создавать и рассчитывать измерительные устройства с электронной настройкой резонансной частоты.

Задание 1: Исследовать автоколебательные процессы в RLC-цепи без дополнительных источников энергии.

Практическая часть

Используемое оборудование: учебный стенд; двухлучевой осциллограф; мультиметр; частотомер; генератор гармонических колебаний; двухполярный источник питания; электронно-счетный частотомер.

Цель работы: Используя учебный стенд и измерительные приборы научиться исследовать измерительные устройства с электронной настройкой резонансной частоты.

Задание 2: Исследовать динамические процессы в пьезорезонансных измерительных преобразователях с изменяющимися в функции амплитуды колебаний параметрами.

Порядок выполнения расчетной части

1.  В новом проекте Micro-Cap создать схему, приведенную на рисунке 4.3. Параметры элементов выбираются исходя из номера варианта по таблице 4.1. Варикапы для схемы взять в меню Component\Analog Librari\Diode\Varactor\1N513. Трансформатор выбрать в меню Component\Analog Primitives\Passive Components\Transformer; источники Е1, Е2 выбрать Component\Analog Primitives\Function Sources\NFV. Индуктивности равны, т. е. L1=L2, коэффициент связи взять 0.9. Сопротивления R2 и R3 взять равным 1 МОм, а R1 взять 0.5 Ом. В генераторе Е1 задать параметры подаваемого импульса «0.001*(t>0.1u)»; генератор Е2, является управляющим генератором, в нём задаётся напряжение в диапазоне от 0.1В до 1В, с шагом в 0.1В.

Рисунок 4.3 – Колебательный контур с электронной настройкой частоты.

Таблица 4.1 – Выбор параметров колебательной системы по вариантам

Вариант	D1, D2	L	Вариант	D1, D2	L
1	1N5140A	10 мкГн	9	1N5145A	2.5 мкГн
2	1N5145A	1 мкГн	10	1N5140A	7.5 мкГн
3	1N5147A	2.5 мкГн	11	1N5146A	1 мкГн
4	1N5139A	6 мкГн	12	1N5145A	3 мкГн
5	1N5146A	3 мкГн	13	1N5139A	1.5 мкГн
6	1N5145A	7.5 мкГн	14	1N5144A	6 мкГн
7	1N5144A	4 мкГн	15	1N5140A	9 мкГн
8	1N5140A	1.5 мкГн	16	1N5147A	4 мкГн

2.  Выбрать пункт меню Analysis\Transient, взять значение Time Range равным 3 мкс, а Maximum Time Step равным 0.1 нс. Для первого графика в поле XExpression ввести T - т. е. время, а в поле YExpression – V(OUT) – т. е. напряжение на выходе. Для второго графика в поле XExpression ввести F - т. е. частоту, а в поле YExpression – HARM(V(OUT)) – т. е. спектр сигналов. На полученном графике спектра с помощью значка , выделить участок и с помощью определить значение резонансной частоты, полученные данные занести в таблицу 4.2. Произвести расчёт эквивалентной ёмкости регулирующего элемента СЭКВ по формуле

.

Таблица 4.2 – Расчётные значения

U(E2), В	f0	CЭКВ
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1

В отчёт поместить график при U на управляющем генераторе равном 0.1В пример на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Временная зависимость сигнала на выходе устройства и его спектр

3.  Запустить Mathcad 2000 Professional, создать новый документ и используя расчётные данные таблицы 4.2 построить зависимость частоты f0 от напряжения, и зависимость эквивалентной ёмкости СЭКВ от напряжения (см. рисунки 4.5 и 4.6).

Рисунок 4.5 – Зависимость частоты f0 от напряжения

Рисунок 4.6 – Зависимость эквивалентной ёмкости СЭКВ от величины управляющего напряжения

4.  Графики поместить в отчёт.

Порядок проведения экспериментальных исследований

Используя соответствующие руководящие материалы к пользованию измерительными приборами и оборудованием учебного стенда собрать схему для проведения экспериментальных исследований в соответствии с заданием к первой части лабораторной работы, произвести необходимые измерения и оформить отчет о выполненной работе.

Отчет сдается в распечатанном виде.

Лабораторная работа №8

Исследование автоколебательных процессов в измерительных преобразователях с изменяющимися во параметрами

Расчетная часть

Системные требования: Pentium-150MHz, 16Mb RAM, Windows 9x или Windows NT, Microsoft Word, Micro-Cap.

Цель работы: Научиться производить анализ колебательных процессов в эквивалентных электрических схемах замещения пьезорезонансных измерительных преобразователей с изменяющимися во времени параметрами.

Задание 1: Исследовать автоколебательные процессы в системе с изменяющимися во времени параметрами.

Практическая часть

Используемое оборудование: учебный стенд; двухлучевой осциллограф; мультиметр; частотомер; генератор гармонических колебаний; двухполярный источник питания; электронно-счетный частотомер.