«Пьезорезонансные нелинейные измерительные преобразователи» (стр. 7 )

       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

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

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

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

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.

Цель работы: Используя учебный стенд и измерительные приборы научиться исследовать автоколебательные процессы в пьезорезонансных измерительных преобразователях с изменяющимися во времени параметрами.

Задание 2: Исследовать особенности возбуждения автоколебательных процессов в пьезорезонансных измерительных преобразователяхс изменяющимися во времени параметрами.

Порядок выполнения расчетной части

Создать новый документ и собрать схему, приведённую на рисунке 4.7. Параметры элементов выбираются исходя из номера варианта по таблице 4.3. Номиналы индуктивности и ёмкости рассчитать в соответствии с формулами:

,

.

В источнике напряжения указать  следующую зависимость «sin(2*pi*f0*t)», в изменяющемся реактивном элементе схемы С записать выражение «С*(1+ДС/С*cos(2*pi*2* f0*t))», где С – рассчитанное по формуле значение ёмкости, ДС/С – приращение ёмкости накачки, f0 –резонансная частота.

Рисунок 4.7 – Колебательный контур с изменяющейся ёмкостью.

Таблица 4.3 – Выбор параметров колебательной системы по вариантам

Вариант	Q	f0	R	Вариант	Q	f0	R
1	10	1 МГц	100 Ом	9	19	3 МГц	110 Ом
2	12	115 кГц	110 Ом	10	22	70 кГц	80 Ом
3	14	80 кГц	105 Ом	11	20	90 кГц	95 Ом
4	15	5 МГц	90 Ом	12	11	55 кГц	105 Ом
5	11	75 кГц	100 Ом	13	19	2 МГц	100 Ом
6	16	60 кГц	95 Ом	14	17	110 кГц	110 Ом
7	20	10 МГц	85 Ом	15	16	9 МГц	95 Ом
8	18	95 кГц	100 Ом	16	12	10 МГц	100 Ом

Выбрать пункт меню Analysis\Transient, рассчитать значение Time Range по формуле .  Значение Maximum Time Step рассчитать по формуле .  В поле XExpression ввести T -  т. е. время, а в поле YExpression – V(OUT) –  т. е. напряжение на выходе. Построить графики с различными значениями приращения ёмкости и с помощью значка , найти максимум на графике, ордината и будет значение коэффициента усиления KU, занести его в таблицу 4.4.  Приращение ёмкости накачки не должно превышать следующее соотношение , иначе будет происходить разгон системы. В отчёт поместить график при ДС/С =(2/Q)*0.95 (пример на рисунке 4.8).

Таблица 4.4 – Расчётные значения