ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие заземления устройств.

УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ

Цель работы: исследовать зависимость формы выходного напряжения умножителя частоты от угла отсечки; научиться рассчитывать угол отсечки выходного напряжения умножителя частоты по временной диаграмме; спектры сигналов на входе и выходе умножителя частоты, зависимость спектра выходного напряжения умножителя частоты от угла отсечки.

Домашнее задание

1 Изучить по [2] методы умножения частоты.

2 Изучить зависимости коэффициента Берга a (q) и функции Берга g (q) по [1] от угла отсечки.

3 Рассчитайте коэффициенты Берга, если амплитуда напряжения на входе транзистора равна: U_m = 0,4 В, напряжение смещения U₀= 0,1 ∙ Х В, напряжение отпирания транзистора U_н = 0,25 В, если Х равен номеру записи студента в учебном журнале.

4 Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.

5 Подготовить бланк отчета.

Вопросы для самопроверки

1 В чем заключается принцип действия умножителя частоты?

2 Что такое угол отсечки?

3 Как измерить угол отсечки по временной диаграмме?

4 Как определить оптимальный угол отсечки?

5 Что такое коэффициенты Берга?

6 Как зависят коэффициенты Берга от угла отсечки?

7 Возможно ли умножение частоты, если q = 180°?

8 Поясните принцип работы резонансного умножителя частоты на транзисторе. Укажите частоты настройки входного и выходного контуров.

9 Почему с увеличением коэффициента умножения амплитуда n -ой гармоники тока уменьшается?

10 Как получить больший коэффициент умножения?

11 Какие существуют методы умножения частоты?

Аппаратное и программное обеспечение

1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).

2 Графический манипулятор мышь.

3 Программа Electronics Workbench 5.12.

Порядок выполнения работы

1 Ответить на вопросы программированного допуска.

2 Получить инструктаж по технике безопасности.

ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие заземления устройств.

3 Включить персональный компьютер, для этого:

3.1 Включить рабочую станцию компьютерной сети с помощью сетевого переключателя POWER на системном блоке.

3.2 Наблюдать выход компьютера в операционную среду Windows.

3.3 Открыть программу Electronics Workbench 5.12 согласно каталогу D:\Work\EWB512\WEWB32.exe. Получить изображение стандартного окна программы.

4 Собрать схему электрическую функциональную исследуемого умножителя частоты (рисунок 1), для этого:

4.1 Поместить радиокомпоненты схемы на белый лист рабочего поля. Для их размещения нажимать левую клавишу манипулятора мышь на изображения радиокомпонентов панели инструментов. Перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпускать левую клавишу манипулятора мышь в нужном месте белого листа рабочего поля.

Рисунок 1 – Схема электрическая функциональная исследуемой нелинейной цепи умножителя частоты

4.2 Соединить радиокомпоненты согласно этой схеме. Для соединения их необходимо нажать левую клавишу манипулятора мышь в точке соединения в момент появления стрелки. Удерживая клавишу, перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпустить клавишу необходимо в момент появления другой точки в нужном месте соединения. Появляющаяся линия – подтверждение правильности соединения.

4.3 Установить значения резисторов R1 – 10 кОм, R2 – 10 кОм, R3 – 250 кОм, Е1 – 3 В, значение частоты Х кГц, где Х – номер записи студента в учебном журнале, начальная фаза – 0 град., Е2 – 5 В.

5 Освоить методику расчета угла отсечки с использованием временной диаграммы, для этого:

5.1 Установить значение потенциометра R3 – 75% в окне Setting. Нажать левой клавишей манипулятора мышь сначала изображение 0, а затем I переключателя Start Simulation,расположенного в правом верхнем углу панели инструментов.

5.2 Щёлкнуть два раза на изображение осциллографа, наблюдать временные диаграммы входного и выходного сигналов на экране осциллографа.

5.3 Щёлкнуть на изображение Expand лицевой панели осциллографа. Наблюдать временные диаграммы на расширенном экране. Нажать манипулятором мышь надпись Pause на панели инструментов, остановив анализ построения программой временной диаграммы.

5.4 Разместить временную диаграмму входного сигнала над временной диаграммой выходного, используя регулятор Y position («положение по оси Y»).

Примечание: входной сигнал – гармоническое колебание;

выходной сигнал – с отсечкой.

5.5 Установить переключателем «Вольт на деление» (V/div) – масштаб по оси амплитуд, равный 5 V/div.

5.6 Щелчками манипулятора мышь установить на лицевой панели осциллографа переключателем «Время на деление» (Time base) – время, соответствующее наблюдению двух или трех периодов колебания. Зарисовать временные диаграммы сигналов в отчёт.

5.7 Измерить период входного и выходного сигналов. Для этого установить красную визирную линию на начало периода исследуемого сигнала, нажав клавишу манипулятора мышь на треугольнике 1. Установить синюю визирную линию на конец периода исследуемого сигнала. Значение периода определить в окне Т2-Т1. Записать значение периодов в отчёт (Т_вх, Т_вых).

5.8 Измерить размах входного и выходного сигналов. Для этого установить курсор манипулятора мышь на красном треугольнике 1 и, нажав клавишу манипулятора, перемещать визирную линию на минимальное значение амплитуды исследуемого сигнала. Записать минимальное значение амплитуды входного сигнала VВ1 и выходного сигнала VA1 в отчёт.

5.9 Измерить максимальное значение сигналов, используя методику п. 5.8 для синей визирной линии 2. Записать максимальное значение амплитуды входного сигнала VВ2 и выходного сигнала VA2 в отчёт.

Измерить размах входного сигнала VA2-VA1 и выходного сигнала VВ2-VВ1. Данные занести в отчёт.

5.10 Измерить угол отсечки q. Для этого по временной диаграмме выходного сигнала измерить длительность импульса (в секундах). Значение периода выходного сигнала взять из п. 5.7.(рисунок 2). Рассчитать угол отсечки (в градусах) по формуле:

, (1)

где Т – это период выходного сигнала, сек;

t_u – это длительность импульса выходного сигнала, сек.

Рассчитанное значение угла отсечки записать в отчет.

Рисунок 2 – Временная диаграмма выходного сигнала умножителя частоты

6 Исследовать спектр выходного напряжения умножителя частоты, для этого:

6.1 Нажать левой клавишей манипулятора мышь на изображение меню Circuit, а затем на указатель функции «параметры схемы» Schematic Options.

6.2 Установить параметр электрической схемы, показывающий номер электрического соединения (контрольной точки). Для этого нажать левой клавишей манипулятора мышь на пустом квадратике напротив надписи Show nodes.

6.3 Определить номер выходной контрольной точки.

Примечание: персональный компьютер устанавливает контрольные точки на схеме в случайном порядке, поэтому для каждого рабочего места нумерация точек на схеме может быть различной.

Например, на рисунке 3 показана схема, в которой номер входной контрольной точки соответствует 5, а номер выходной контрольной точки – 4.

Рисунок 3 – Схема электрическая функциональная исследуемой нелинейной цепи умножителя частоты с указанием номеров контрольных точек.

6.4 Нажать левой клавишей манипулятора мышь сначала изображение 0, а затем I переключателя Start Simulation, расположенного в правом верхнем углу панели инструментов. Подождать несколько секунд. Отключить формирование сигнала, нажав левой клавишей манипулятора мышь на изображение 0 этого же переключателя.

6.5 Нажать левой клавишей манипулятора мышь функцию Analysis вверху окна, а затем анализ спектра Fourier в раскрывшейся таблице.

6.6 Задать параметры анализа спектра: Output node – номер выходной контрольной точки, в которой исследуется спектр (см. п. 6.3); Fundamental frequency – частота исследуемого сигнала (см. п. 4.3.); Number harmonics – количество гармоник – 20; Vertical scale – масштаб по вертикали – линейный – linear.

6.7 Нажать функцию Simulate и подождать появления спектральных диаграмм амплитуд. Установить развёрнутый вид появившегося маленького окна, нажав левой клавишей манипулятора мышь функцию (развернуть) в правом верхнем углу окна.

6.8 Нажать левой клавишей манипулятора мышь функцию Toggle Cursors в правом верхнем углу окна. Измерить амплитуды второй, третьей, и четвёртой спектральных составляющих с помощью визирных линий и таблицы. Визирную линию перемещать за чёрный треугольник вверху её на спектральную составляющую согласно методике п. 5.7. Записывать значение х1 – частоты, у1 – амплитуды спектральной составляющей из таблицы Magnitude, V в отчёт.

6.9 Зарисовать спектральную диаграмму амплитуд в отчет, указав значения трёх спектральных составляющих. Сделать выводы.

7 Исследовать зависимость спектра выходного напряжения умножителя частоты от угла отсечки, для этого:

7.1 Установить значение потенциометра R3 –10 %. Рассчитать угол отсечки согласно методике 6.5 (временные диаграммы в отчет не зарисовывать). Значение угла отсечки записать в таблицу 1.

7.2 Получить спектральные диаграммы на выходе нелинейной цепи и измерить значения напряжений для трёх спектральных составляющих (гармоник) U_m2, U_m.3, U_m.4 согласно методике п. 6 (спектральную диаграмму в отчет не зарисовывать). Данные записать в таблицу 1.

7.3 Проделать пп. 7.1 – 7.2 для положения потенциометра R3 – 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 100 %. Данные записать в таблицу 1.

Таблица 1 – Зависимости амплитуд спектральных составляющих U_m от угла отсечки

R3, %
q, град.
Um2 .,В
Um.3.,В
Um.4.,В

8 Построить зависимости U_вых.n = f(q) для второй, третьей и четвёртой гармоник. Сравнить с ранее изученными в [2] графиками. Сделать выводы.

9 Определить оптимальное значение угла отсечки для второй, третьей и четвёртой гармоник. Сравнить с ранее изученными в [1]. Сделать выводы.

10 Показать результаты выполнения работы преподавателю.

11 Сделать выводы по работе.

12 Выключить оборудование.

13 Составить отчёт по работе.

Содержание отчета

1 Наименование и цели лабораторной работы.

2 Аппаратное и программное обеспечение лабораторной работы.

3 Домашнее задание согласно варианта (п. 3 раздела «Домашнее задание»).

3 Схема электрическая функциональная умножителя частоты.

4 Результаты измерений, расчетов, наблюдений (порядок выполнения работы пп.5 – 9).

5 Выводы по работе.

6 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

Контрольные вопросы

1 В каком режиме работает нелинейный элемент в умножителе частоты?

2 Объясните процесс умножения с помощью временных диаграмм.

3 Можно ли умножить частоту в 7 раз, используя умножитель частоты на транзисторе?

4 Как определить коэффициенты Берга для второй гармоники?

5 Для каких целей на выходе умножителя частоты включают фильтр?

6 Поясните графики зависимостей коэффициентов Берга a(q) и g(q).

7 Какое достоинство у фильтров на операционных усилителях?

8 Что такое гираторы?

9 Как избавиться от наличия катушек индуктивности в умножителе частоты?

Содержание зачёта

Студент должен знать ответы на контрольные вопросы. Должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу, анализировать результаты измерений.

Литература

1 Радиопередающие устройства / В. В. Шахгильдян, [и др.]. – М.: Радио и связь, 1990. – С. 93 – 96.

2 Шинаков, Ю. С. Теория передачи сигналов электросвязи / Ю. С. Шинаков, Ю. М. Колодяжный. – М.: Радио и связь, 1989. – С. 69 – 71, 83.

Дата добавления: 2015-07-08