Методические указания. Изучение процесса умножения частоты

Цель работы

Изучение процесса умножения частоты. Получение оптимального режима.

Схема работы и измерительная аппаратура

Рассмотрена в предыдущей работе (№5).

Домашнее задание

1. Изучите по конспекту лекций и литературе материал по усилению сигналов и умножению частоты: [1] с. 76¸83, 86¸92; [2] с. 63¸71; [4] с. 82¸88; [5] с. 275¸278; [6] с 290¸296.

2. Аппроксимируйте сток – затворную характеристику, соответствующую Вашему стенду, кусочно-линейной и кусочно-параболической функциями.

3. Рассчитайте амплитудную характеристику умножителя частоты одним из двух способов по указанию преподавателя:

3.1. При постоянном значении максимального значения импульса тока (i_макс=const) использовать метод угла отсечки, основанный на коэффициентах a_n⁽¹⁾(q) для кусочно-линейной аппроксимации. В качестве руководства к расчету используйте п. 3.1 методических указаний к данной работе и рис. 6.1. В таблице 6.1 вместо U_ВЫХ добавьте еще 3 строки: соsq, q и a_n⁽¹⁾(q).

3.2. При постоянном значении амплитуды входного сигнала (U_mвх=const) использовать метод угла отсечки, основанный на коэффициентах max g_n⁽²⁾(q) - для кусочно-параболической аппроксимации. Значение U_mвх=1В, а Е_см изменять в пределах - (1¸6)В. Значение n (номер гармоники) выбирать от 2 до 4.

4. Приготовьте заготовку отчета и внесите в нее результаты выполненных расчетов.

Лабораторное задание

1. Исследуйте работу умножителя частоты при постоянной величине амплитуды импульса тока стока или при постоянной амплитуде входного сигнала (по указанию преподавателя).

Методические указания

1. Принципиальная схема макета изображена на рис. 5.1. Переключатель "НАГРУЗКА"- в положении "LC", переключатель "R_ш" должен быть выключен (кнопка отжата). Напряжение смещения установить Е_СМ=-2В.

Настройка в резонанс осуществляется путем изменения частоты встроенного генератора в диапазоне 12¸16кГц при U_ВХ»0,5В. Достижение резонанса фиксируется по максимальному напряжению в цепи стока (гнездо КТ 2) либо по максимальному показанию микроамперметра стенда, постоянно включенному в цепь индикатора резонанса. Значение резонансной частоты f₀ вносится в табл. 6.1.

1. Частота генератора гармонических колебаний f_ВХ должна быть в n раз меньше резонансной частоты контура, т.е. f_ВХ = f₀/n, где n - кратность умножения; тогда n-ная гармоника входного сигнала будет совпадать по частоте с частотой настройки контура f₀. Точное значение f_ВХ определяют по максимуму выходного сигнала при подстройке частоты генератора вблизи расчетного значения f_ВХ.

2. Амплитудная характеристика умножителя частоты измеряется и рассчитывается одним из двух способов (по указанию преподавателя).

3.1 Для получения амплитудной характеристики умножителя частоты при i_МАХ=соnst необходим предварительный расчет, в результате которого заполняются первые три строки табл. 6.1.

Таблица 6.1.

n=...;	f0=...кГц;	fВХ=f0/n=... кГц;
UВХ В	1,0	1,5	2,0	2,5	...
UmВХ В
ЕСМ В
UВЫХ В
Iсn мА

Кратность умножения n (или номер выделяемой гармоники) выбирается таким же, как и при расчетах спектра в домашнем задании. соответственно устанавливается частота входного сигнала и его величина U_ВХ (действующее значение). Вторая строка таблицы содержит амплитудные значения U_mВХ, которые больше U_ВХ в Ö2, т.е. U_mВХ=U_ВХÖ2. Третья строка таблицы рассчитывается так, чтобы при всех изменениях максимальное напряжение на затворе было бы постоянно равно нулю (см. рис. 6.1). Очевидно, что для этого смещение по модулю должно равняться амплитуде сигнала, т.е. Е_СМ = - U_mВХ. При этом условии амплитуда импульса тока будет постоянной, но будет меняться угол отсечки q и, соответственно, спектральный состав тока стока, в том числе и амплитуда n-ной гармоники.

Для получения каждого значения U_ВЫХ (гнездо КТ 2) необходимо устанавливать расчетные пары значений Е_СМ и U_ВХ из таблицы (причем сначала устанавливать Е_СМ, затем U_ВХ) и, подстроив частоту генератора согласно п. 2, снять отсчет U_ВЫХ. Измерения U_ВЫХ продолжаются до тех пор, пока не будет найдено максимальное значение U_ВЫХ, которое соответствует оптимальному режиму умножителя частоты.

3.2 Для получения амплитудной характеристики умножителя частоты при U_ВХ =соnst следует установить на входе (гнездо КТ 1)напряжение U_ВХ =1В с частотой f_ВХ=f₀/n и, изменяя Е_СМ в пределах - (1,0 ¸ 6,0)В с шагом 0,5В, измерять выходное напряжение на контуре (гнездо КТ 2). Значение n берется то же, что и при расчете домашнего задания. Перед снятием каждого отсчета U_ВЫХ рекомендуется подстраивать частоту генератора, добиваясь максимума U_ВЫХ согласно п. 2. Найти точное значение Е_СМ, при котором U_ВЫХ = U_ВЫХМАХ. Результаты представить в виде табл. 6.2.

Таблица 6.2.

n=...;	f0=...кГц;	fВХ=f0/n=... кГц;	UВХ =1В
ЕСМ,В	-1,0	-1,5	-2,0
UВЫХ,В
Iсn мА

3. Амплитудные характеристики умножителя для случая 3.1 - I_сn= j₁(U_ВХ) и для случая 3.2 - I_сn= j₂(Е_СМ), рассчитываются по данным двух последних таблиц:

I_сn= U_ВЫХ/R_ЭО,

где R_ЭО - эквивалентное сопротивление колебательного контура на частоте резонанса (принять R_ЭО =1кОм). Построить график j₃ (или j₄).

Временные диаграммы и спектры для оптимального режима наблюдаются и фиксируются для той пары значений Е_СМ и U_ВХ, при которой напряжение n-ой гармоники U_ВЫХ было максимальным. Необходимо представить осциллограммы и спектры следующих сигналов (с сохранением масштаба по оси времени):

· входного напряжения u_ВХ(t) - гнездо КТ 1;

· тока стока i_C(t) - при нажатой кнопке "R", гнезда КТ 2;

· выходного напряжения u_ВЫХ(t) - при нажатой кнопке "LC", гнезда КТ 2, для двух случаев: шунт включен (кнопка R_Ш нажата) и выключен (кнопка R_Ш отжата), а также спектры вышеперечисленных сигналов. По временной зависимости i_C(t) находят значение угла отсечки q. Эта величина находится из сравнения отрезков, соответствующих периоду колебания (360⁰) и ширине основания импульса тока (2q).

5. Временные диаграммы процесса умножения частоты при другом значении n. Не изменяя установленных ранее значений Е_СМ и U_ВХ, настроить частоту генератора на получение гармоник с более высоким номером (n=3...6, по указанию преподавателя). Добиться максимума U_ВЫХ путем небольшой подстройки Е_СМ. Зафиксировать осциллограммы и спектры процессов u_ВХ(t), i_C(t) и u_ВЫХ(t) при отключенном шунте.

Отчет

Отчет должен содержать:

1. Принципиальную схему исследованных устройств.

2. Исходную и аппроксимированную сток–затворную характеристику полевого транзистора для соответствующего варианта.

3. Таблицы исходных, расчетных и экспериментальных данных.

4. Графики амплитудных характеристик j₁¸j₂, а также осциллограммы и спектры исследованных процессов.

Контрольные вопросы

1. Изобразить схему умножителя частоты. Пояснить принцип её работы.
2. С какой целью применяются умножители частоты?
3. Как выбрать оптимальный режим работы усилителя?
4. Как выбрать оптимальный режим работы умножителя частоты?
5. Какова роль нелинейного элемента в схеме умножителя частоты?
6. Какова роль избирательной нагрузки в схеме умножителя частоты?
7. Как получить осциллограмму тока, протекающего через колебательный контур?
8. Какое влияние оказывает выбор напряжения смещения на работу умножителя частоты?
9. Какое влияние и почему оказывает добротность контура нагрузки на качество работы умножителя частоты?
10. Что такое коэффициент гармоник?

Дата добавления: 2015-07-08