«Пьезорезонансные нелинейные измерительные преобразователи» (стр. 6 )

На графике с помощью , выделить участок, на котором наблюдается процесс биений. По графику установить значение периода биений ТБ, частоту биений Щ=1/ТБ, максимальное и минимальное значение напряжения, т. е. Umax и Umin. Вычислить глубину модуляции по формуле

.

  Частоту биений и глубину модуляции рассчитать в соответствии с ниже  приведённой таблицей 3.3. График поместить в отчёт (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 – График временной зависимости выходного напряжения генератора.

Вернуться к схеме и меняя значение сопротивления связи заполнить таблицу 3.3, выполнить это аналогично предыдущему пункту. Для каждого варианта, расчёт сопротивления связи производится индивидуально. Рекомендуется, при построениях графиков для RСВ. КР+150,…,RСВ. КР+10, взять Time Range равный 7·10-3.  Используя  нижеприведённые формулы необходимо рассчитать  сопротивление связи критическое RСВ. КР:

,

  где, о –  относительная расстройка;

  где, О –  обобщённая расстройка;

  где, мКР –  соотношение амплитуд автогенераторов с учётом элемента связи,  соответствующее  границе между синхронным и асинхронным режимом;

где, R1 –  элемент связи;

где, p – коэффициент увлечения частот (при р>1 – синхронный режим, при p<1 – асинхронный режим.)

Таблица 3.3

R	Щ	m
1кОм
500Ом
RСВ. КР+150
RСВ. КР+80
RСВ. КР+40
RСВ. КР+10

  В отчёт помещается график при сопротивлении связи равном последнему  значению в таблице.

Запустить Mathcad 2000 Professional, создать новый документ и используя формулы, приведённые ниже, построить теоретические графики зависимость частоты биений Щ от сопротивления RСВ и зависимость глубины модуляции m от сопротивления RСВ (см. рисунки 3.9 и 3.10). Одновременно на этих же графиках построить экспериментальные зависимости, используя данные таблицы 3.3. Графики поместить в отчёт.

Пример выполнения расчётной части в среде  Mathcad:

       

   

     

 

Рисунок 3.9 - Зависимость частоты биения от сопротивления. В режиме близком к границе с синхронизмом чувствительность существенно возрастает.

Рисунок 3.10 - Зависимость глубины модуляции от сопротивления. В режиме близком к границе с синхронизмом чувствительность существенно возрастает.

С помощью Microsoft Word выполнить отчет по работе, который должен  включать:

титульный лист; задание, цель исследования; краткие теоретические сведения; порядок проведения лабораторной работы, в который помещен расчет и результаты, выполненные в Micro-Cap; выводы по каждому из заданий (выводы должны содержать суть проведенных исследований и полученных результатов).

Отчет сдается в распечатанном виде.

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  №7

Исследование колебательных процессов в измерительных преобразователях с изменяющимися в функции амплитуды колебаний параметрами

Теоретическая часть

Колебательные системы с изменяющимися параметрами используются, например, для создания параметрических усилителей (ПУ), ихмерительных преобразователей на их основе. Такие устройства характеризуются низким значением коэффициента  шума и называются параметрическими потому, что усиление в них обусловлено  изменением одного из реактивных параметров колебательного контура (С или L).

Физические принципы, положенные в основу действия ПУ, можно рассмотреть на примере обычного колебательного контура (рисунок 4.1), ёмкость которого может изменяться. Предположим, что на контур воздействует гармонический сигнал с частотой f, при этом напряжение UC и электрический заряд qC на конденсаторе будут изменяться во времени по гармоническому закону. Если уменьшать ёмкость конденсатора, быстро раздвигая пластины в моменты максимума напряжения, то напряжение на конденсаторе UC= qC/С будет возрастать, так как заряд qC в моменты раздвижения пластин сохраняется неизменным.

Рисунок 4.1 - Колебательный контур с изменяющейся ёмкостью.

       Графическая интерпретация принципа параметрического усилителя приведена на рисунке 4.1. На верхнем графике изображено напряжение сигнала на конденсаторе, на среднем показан процесс механического перемещения пластин конденсатора и на нижнем нарастание напряжения на конденсаторе. Перемещение пластин конденсатора, показанное стрелкой вверх, соответствует уменьшению его ёмкости и происходит в моменты максимального напряжения на конденсаторе, при этом наблюдаются «скачки» напряжения (отмечены крестиками).

       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.