close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

VilesovFilatov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ
И ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2012
Составители: канд. техн. наук доц. Л. Д. Вилесов, канд. техн. наук
ассистент А. С. Афанасенко, канд. техн. наук ассистент А. А. Мотыко, ассистент А. С. Кузьмин. канд. техн. наук доц. В. Н. Филатов,
канд. техн. наук проф. Б. А. Павлов
Рецензент кафедра «Бортовой радиоэлектронной аппаратуры» ГУАП,
канд. техн. наук, доцент А. А. Хоменко
Методические указания содержат рекомендации по подготовке и
методику выполнения лабораторных работ по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов», изучаемой студентами по направлению 21040062 «Радиотехника».
Лабораторные работы выполняются в лаборатории УГиФС кафедры 23. Пособие предназначено для обучения бакалавров факультета Радиотехники, электроники и связи и может быть рекомендовано
для студентов других специальностей, изучающих прикладные вопросы по основам радиотехники. Пособие подготовлено к публикации кафедрой Радиоэлектронных и телевизионных систем по рекомендации редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского
государственного университета аэрокосмического приборостроения.
В авторской редакции
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 10.12.12. Подписано к печати 20.12.12.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,38.
Уч.-изд. л. 2,21. Тираж 100 экз. Заказ № 670.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2012
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА
С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Цель работы: изучение энергетических режимов усилителя
мощности со сложной схемой выхода и освоение методики настройки высокочастотного генератора на максимальную мощность в антенне.
Методические указания по подготовке к работе
В современных радиопередатчиках для усиления колебаний высокой частоты по мощности применяются усилители на мощных
транзисторах и электронных лампах, работающие с нижней отсечкой анодного тока. Так как на вход каскада подается внешнее
возбуждение, то такие усилители мощности называются также генераторами с внешним возбуждением (ГВВ). Выходные усилители
– это наиболее мощные каскады передатчиков, обеспечивающие
передачу заданной энергии в антенну или фидерную линию. К ним
предъявляются следующие технические требования:
обеспечение заданной полезной мощности в антенне при максимально возможном КПД;
минимальное число элементов настройки;
наилучшая фильтрация в анодной цепи, чтобы уровень высших гармоник в антенне был минимальным;
возможность работы с различными типами антенн, параметры
которых могут сильно отличаться.
Указанным требованием в наибольшей степени удовлетворяют
сложные схемы выхода. В отличие от простых схем, где антенный
контур непосредственно включен в анодную колебательную систему, в сложных схемах передача энергии от усилителя к антенне
происходит за счет связи между промежуточным контуром, находящимся в анодной цепи активного элемента, и антенным контуром. Исследованию подлежит настройка сложной схемы выхода
(рис. 1.1).
3
Lбл1
Ea
Cp
Ант
Санm
Lпк
V1
Eg2
Ug
Lн
Cпк
Lсв
Rанm
Lбл2
Eg
Рис. 1.1. ГВВ со сложной схемой выхода
Промежуточный контур образован элементами Lпк и Спк. В антенный контур, помимо эквивалентных параметров антенны Cант
и Rант, входят элементы настройки Lн и связи Lсв. Оба контура настраиваются на рабочую частоту, после чего между ними подбирается оптимальная связь. Анодное напряжение Ea подводится к лампе через блокировочный дроссель Lбл1, смещение на управляющую
сетку Eg – через Lбл2. Благодаря емкости Cр на анодном контуре
нет постоянного напряжения, что делает безопасной работу со схемой. Для тока высокой частоты дроссель Lбл представляет большое
сопротивление, емкость Cр – короткое замыкание. Пунктиром обозначен эквивалент антенны, который замыкает антенный контур и
физически отсутствует.
На рис. 1.2 представлена зависимость анодного тока лампы от
времени. При работе с отсечкой ток анода можно аппроксимиро-
Ia max
ia
T
2S
Zt
Рис. 1.2. Форма импульсов анодного тока генераторной лампы
4
вать косинусоидальными импульсами с частотой  и амплитудой
Iа max. Часть периода, во время которой лампа открыта, называется
углом проводимости пр или рабочей частью периода высокочастотных колебаний ГВВ и измеряется в градусах. При симметричных
импульсах коллекторного тока используется понятие угла отсечки
 = пр/2, как половина рабочей части периода.
Разложение анодного тока в ряд Фурье показывает, что он содержит постоянную составляющую Iа0, первую гармонику с амплитудой Iа1, а также гармонические составляющие более высокого порядка Iаn:
¥
ia (t) = Ia0 + Ia1 cos t + å Ian cos nt.
n=2
Анодный контур каскада настраивается на частоту первой гармоники анодного тока  и на этой частоте имеет активное эквивалентное сопротивление Rэ, определяемое связью с нагрузкой (антенной), параметрами нагрузки и параметрами антенного и анодного контуров.
Полезная мощность первой гармоники P1, отдаваемая лампой в
колебательную систему каскада:
1
1 Uà2
P1 = Ia21Rý =
,
2
2 Rý
где Ua = Ia1Rэ – амплитуда напряжения первой гармоники, выделяемой на аноде лампы.
Амплитуда переменного напряжения на аноде Uа составляет
долю  от постоянного анодного напряжения Ua = Ea.
Величина , называемая коэффициентом использования лампы
по анодному напряжению, в современных генераторах равна примерно 0,85–0,95, что соответствует критическому режиму. При
первом включении ГВВ обычно это не выполняется.
Мощность P0, потребляемая каскадом от источника питания,
может быть определена, если известно его напряжение Ea, следующим образом: P0 = Ia0Ea .
Электронный КПД каскада – это отношение полезной мощности
P1 к потребляемой P0:
P
1I U
1 I
ý = 1 = a1 a =  a1 .
P0 2 Ia0 Ea 2 Ia0
5
Разность Pa между потребляемой мощностью P0 и мощностью
P1, отдаваемой в колебательную систему, выделяется на аноде в
виде тепла:
Pa = P0 - P1.
Постоянная составляющая анодного тока Iа0 и амплитуда первой гармоники Iа1 определяются амплитудой импульсов анодного
тока Iа max и углом отсечки . С уменьшением угла отсечки возрастает Ia1/Ia0, что ведёт к росту КПД. Однако слишком сильно уменьшать  нельзя, так как мощность P1 при этом будет также падать.
Обычно угол отсечки в усилителе мощности выбирается в пределах
70    90.
Порядок настройки двухконтурной схемы выхода ГВВ следующий.
1. Для работы генератора с высокими КПД и полезной мощностью необходимо установить связь между анодным и антенным
контурами равной нулю. Анодный контур настроить на рабочую
частоту  (частоту возбуждения). Настройка контура в резонанс на
частоту возбуждения производится по минимуму постоянной составляющей анодного тока Iа0. При этом активный элемент (АЭ)
находится в перенапряженном режиме.
2. Далее необходимо установить слабую связь между анодным и
антенным контурами и настроить на частоту возбуждения антенный контур (по максимуму тока в антенне). Напряженность режима АЭ падает.
3. Увеличивая связь, наблюдать по показаниям прибора, включенного в антенный контур, возрастание антенного тока. Максимальное значение тока соответствует оптимальной связи между
контурами и критическому режиму работы АЭ.
4. При дальнейшем увеличении связи наблюдается спад тока в
антенне, что свидетельствует о переходе АЭ из критического в недонапряженный режим.
При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо знать различие в напряженностях режимов работы АЭ (усилительного элемента) в схеме ГВВ.
Для понимания происходящих процессов в ГВВ воспользуйтесь
понятиями нагрузочные и настроечные характеристики. Нагрузочные характеристики – это зависимость режимов ГВВ (токов, напряжений, мощностей) от сопротивления нагрузки, приведенной
от антенны к выходу генераторной лампы.
Настроечные характеристики – это зависимость режимов ГВВ
от частоты настройки анодного контура. В общем случае сопротив6
ление нагрузки анодного контура является комплексным. Проводя последовательно настройки сложной схемы выхода, необходимо
понимать, за счет чего происходит переход ГВВ из перенапряженного режима в недонапряженный, а также, в какой момент настройки выполняется условие критического режима работы, являющегося целевой точкой настройки передатчика на максимальную
мощность в антенне.
При объяснении эффекта влияния антенного контура на анодный используйте принцип приведения двухконтурной системы к
одноконтурной. Антенный контур заменяется сопротивлением, последовательно вносимым в анодный контур.
В результате настройки антенного контура в резонанс на частоту
возбуждения вносимое сопротивление имеет активный характер и
равно
râí =
2
Xñâ
,
Raíò
где Xсв = M – сопротивление связи, M – коэффициент взаимной
индукции (см. рис. 1.1).
Описание лабораторной установки
Принципиальная схема макета лабораторной установки изображена на рис. 1.3. Макет выполнен в виде двух блоков: основного
блока, в котором смонтирован исследуемый генератор с независимым возбуждением, и блок – эквивалент антенны.
В состав основного блока также входят: стабилизированные источники питания, возбудитель с кварцевой стабилизацией частоты
и предоконечный каскад на лампе V1 6П15П, который, работает
как усилитель немодулированных колебаний. Частота колебаний
возбудителя составляет 4 МГц. Напряжение высокой частоты с
анодного контура лампы V1 подаётся на управляющую сетку исследуемого выходного каскада, собранного на ламповом пентоде
V2 ГУ-50, со сложной схемой выхода. Амплитуда напряжения возбуждения, подаваемого на управляющую сетку лампы V2, может
регулироваться изменением смещения на третьей сетке лампы V1.
Настройка промежуточного контура исследуемого каскада осуществляется посредством изменения емкости C27 контурного конденсатора.
Настройка антенного контура осуществляется изменением индуктивности L12. Связь между промежуточным и антенным конту7
8
C14
Возбудитель
Eg
L5
C15
L7
VD6
VD5
R11
C21
C20
2
3
S2
4
R15
R16
R17
L12
R14
5
«Осц»«ЛВ»
L11
L10
Рис. 1.3. Схема лабораторной установки
VD7
pV
VD8 VD9 VD10 VD11
1
pA
«Осц» «ЛВ»
C27
C26
C24
V2
L9
pA
~6,3В
L13 C25
L8
pA
C23
C22
VD4 C19
S1
R10
«Осц»«ЛВ»
V1
L6
~6,3В
C17 C18
C16
R13
R12
C28
+480 В
+230 В
–150 В
Модуляция
рами регулируется изменением взаимной индукции между катушками L10 и L11.
В схеме исследуемого выходного каскада включены приборы,
посредством которых могут измеряться следующие величины:
напряжение смещения Eg;
постоянная составляющая тока управляющей сетки Ig0;
постоянная составляющая тока экранной сетки Ig20;
постоянная составляющая тока анода Iа0.
Также на макете имеются гнезда с надписью «В.С. напряжение»
для подключения ламповых вольтметров В3-25, предназначенных для измерения величины переменных напряжений на аноде
и управляющей сетке выходного каскада, а также на части сопротивления эквивалента антенны. К этим же гнездам может подключаться осциллограф или анализатор спектра.
Порядок выполнения работы
1. Изучить принципиальную схему и макет установки, порядок
включения и назначение измерительных приборов и органов настройки, управления.
Порядок включения установки: для включения установки необходимо вначале включить тумблер «Накал», а затем после трехминутного прогрева – тумблер «Анод».
2. Исследовать поведение ГВВ при настройке промежуточного
колебательного контура с целью выяснения важности точной настройки усилителя на частоту возбуждения. С этой целью установить следующий режим работы каскада: напряжение смещения
Eg = –55 В, напряжение возбуждения Ug  55 В. При изменении
напряжения возбуждения следует помнить, что ламповый вольтметр, измеряющий напряжение возбуждения Ug, проградуирован
в эффективных значениях и подключен с коэффициентом деления
1:10. При настройке промежуточного контура связь между антенным и промежуточным контурами должна быть минимальной,
ручка «Связь» ставится в нулевое положение.
Настройку производить вращением ручки «Настройка промежуточного контура». Критерием правильной настройки промежуточного контура на частоту возбуждения является минимальное
показание прибора «Анодный ток», измеряющего постоянную составляющую анодного тока.
Изменяя ручкой «Настройка промежуточного контура» угол поворота  ротора конденсатора промежуточного контура в ту и дру9
гую сторону от положения, при котором имеется резонанс, снять
зависимость величин Ia0, Ig0, Ig20, Ua эфф от . Следует учитывать,
что ламповый вольтметр, измеряющий напряжение на промежуточном контуре Ua эфф, проградуирован в действующих значениях
и подключен к контуру через делитель 1:3000.
Поэтому для получения истинных значений эффективного анодного напряжения в вольтах необходимо установить переключатель
шкал лампового вольтметра в положение 300 мВ и показание лампового вольтметра, полученное на шкале 30 В умножить на 30. Результаты измерений свести в табл. 1.
Примерное положение резонанса промежуточного контура –
1500 делений. Шаг изменения настройки взять равным 100 делениям (1 поворот ручки). Выполнить по 5–6 измерений с каждой стороны от резонанса. По данным эксперимента построить графики.
Мощность, подводимая к генератору от источника питания, рассчитывается по формуле:
P0 = Ia0 Ea .
Для расчёта полезной мощности P1, которую лампа отдает в нагрузку, необходимо знать величину эквивалентного сопротивления ненагруженного промежуточного контура Rэ хх, которое равно 138 кОм:
P1 = Ua2 ýôô Rý õõ .
Мощность, рассеиваемая на аноде лампы:
Pa = P0 - P1,
эта величина не должна превышать 40 Вт.
Электронный КПД:
P
= 1 .
P0
Таблица 1
Отсчет
по шкале ,
дел.
10
Измеряемые величины
Ia0
Ig0
Ig20 Ua эфф
Вычислить в точке
резонанса
Примечания
 Pg20
P0
P1
Pa
f = 4 МГц
Ea = 470 B
Eg2 = 230 B
Eg = –55 B
Ug  50 B
Мощность, рассеиваемая на экранной сетке:
Pg20 = Ig20 Eg2 .
Величины P0, P1, Pa,  и Pg20 вычислить в точке резонанса.
3. Восстановить настройку промежуточного контура в резонанс. Настроить антенный контур. Настройку антенного контура
производить при небольшой величине связи между антенным и
промежуточным контурами посредством изменения величины индуктивности антенного контура, вращая ручку «Настройка антенны». Установить связь между контурами, поставив ручку «Связь»
в положение, при котором отсчет по шкале равен  800 делений.
Момент настройки антенного контура в резонанс определяется по
максимуму тока в антенне, т.е. по максимуму показаний прибора
«Антенный ток» IА.
Ток в антенном контуре, а следовательно и ток в антенне измеряется косвенным способом. Для измерения тока в антенне используется ламповый вольтметр, посредством которого измеряется
эффективное напряжение U13 эфф на сопротивлении R13 = 1 Ом.
Последнее совместно с последовательно включенным с ним сопротивлением R12 образует активное сопротивление эквивалента антенны в антенном контуре. Эффективное значение тока Ia эфф, протекающего в антенном контуре, находится по формуле
Ia ýôô = U13 ýôô R13.
Снять зависимость токов Ia0, Ig0, Ig20 и напряжения Ua эфф от
изменения величины индуктивности L12, с помощью которой производится настройка антенного контура. Изменение производится
в обе стороны от резонанса (5–6 измерений в каждую сторону). Результаты измерений свести в табл. 2 и построить графики зависимостей.
4. Восстановить настройку антенного контура в резонанс. Исследовать влияние связи между антенным и промежуточным конТаблица 2
Отсчет по шкале , дел.
Ia0
Ig0
Ig20
IА эфф Ua эфф
Примечания
f = 4 МГц
Ea = 470 B
Eg2 = 230 B
Eg = -55 B
Ug  50 B
11
турами на величину мощности, выделяемой в эквиваленте антенны. Изменение связи производить в пределах от 0 до 12000 делений
шкалы с надписью «Связь» при настроенных в резонанс промежуточном и антенном контурах. Оптимальные значения связи определяются по максимальному значению тока в антенне. Результаты
измерений свести в табл. 3 и построить график измеренных и рассчитанных величин в зависимости от величины связи М.
Мощность, рассеиваемая в промежуточном контуре, рассчитывается по формуле:
Pïê =
Ua2 ýôô
Rý õõ
,
где Rэ хх – эквивалентное сопротивление ненагруженного промежуточного контура. Мощность, передаваемая в антенну:
PA = Ia2 ýôô RA ,
где RА – сопротивление эквивалента антенны в исследуемом макете RА = 35 Ом.
Полезная колебательная мощность, отдаваемая лампой, вычисляется по формуле:
P1 = PA + Pïê .
Мощность, потребляемая от источника питания:
P0 = Ia0 Ea .
При этом КПД промежуточного контура:
ïê =
PA
.
PA + Pïê
Таблица 3
Измеряемые величины
Вычислить
M,
дел. Ia0 Ig0 Ig20 Ua эфф Ia эфф PА Pпк P1 пк P0
12

Примечания
f = 4 МГц
Ea = 470 B
Eg2 = 230 B
Eg = –55 B
Ug  50 B
КПД генератора:
P
= A .
P0
5. При оптимальной связи между антенным и промежуточным
контурами снять зависимость токов и напряжений в контурах от
величины напряжения смещения. Смещение изменяется с помощью переключателя S2 «Смещение». Результаты измерений свести в табл. 4 и построить графики зависимостей от Eg. Оптимальная связь соответствует максимальному току в антенне.
Критерием правильности настройки схемы выхода на максимальную мощность является уменьшение тока в антенне при увеличении связи между анодным и антенным контурами больше оптимальной, что свидетельствует о переходе выходного АЭ усилителя мощности из критического в недонапряженный режим.
Дополнительное задание при выполнении работы
как научно-исследовательской
1. Рассчитать исследуемый каскад в критическом режиме, при
котором лампа отдаёт в анодный контур мощность P1 = 40 Вт. Исходные данные для расчета: Ea = 470 В,  = 90, что соответствует
Eg = –45 В.
2. Установить исследуемый каскад в расчётный режим и сопоставить результаты расчета с результатами экспериментальных измерений. Объяснить несовпадение результатов расчёта и результатов эксперимента, если такие будут иметь место.
3. Рассчитать амплитудную характеристику исследуемого каскада при использовании его в качестве усилителя амплитудно-модулированных колебаний. Исходные данные для расчета:
 = 90, S = 4 мА/В, эквивалентное сопротивление нагруженного промежуточного контура Rэ = 5 кОм.
4. Сопоставить результаты расчета и эксперимента в табл. 4. Объяснить несовпадения результатов, если такие будут иметь место.
Таблица 4
Eg
Ia0
Ig0
Ig20
IА эфф
Ua эфф
Примечания
Ug = 55B
IА(M) = IА max
13
Оформление отчета
1. Принципиальная схема установки.
2. Результаты измерений и вычислений в виде таблиц и графиков.
3. Выводы по проделанной работе.
Литература
1. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: учебник
для вузов / под ред. Г. М. Уткина, В. Н. Кулешова и М. В. Благовещенского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1994. 416 с.
2. Радиопередающие устройства: учебник для вузов // В. В. Шахгильдян В. Б. Козырев, А. А. Ляховкин и др. под ред. В. В. Шахгильдяна. 3-е
изд. М.: Радио и связь, 2003. 560 с.
3. Шахгильдян В. В., Карякин В. Л. Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах подвижной связи: учеб. пособие для вузов / под ред. В. В. Шахгильдяна. M.: СОЛН-Пресс, 2011. 400 с.
4. Ворона В. А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета:
учеб. пособие для вузов. М.: ВУЗ, 2007. 384 с.
5. Павлов Б. А., Вилесов Л. Д., Филатов В. Н. Генераторы с внешним возбуждением: учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2003. 28 с.: ил.
6. Филатов В. Н., Павлов Б. А., Вилесов Л. Д. Модуляция в радиопередающих устройствах: учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2009. 60 с.: ил.
7. Генераторы с внешним возбуждением и автогенераторы: учеб. пособие / А. С. Афанасенко, Б. А. Павлов, Л. Д. Вилесов, В. Н. Филатов.
СПбГУАП. СПб., 2003. 28 с.: ил.
14
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕД0ВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА
С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ И МОСТОВОЙ СХЕМЫ
СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТЕЙ НЕСКОЛЬКИХ ГЕНЕРАТОРОВ
Цель работы: изучение энергетических режимов генератора с
внешним возбуждением при изменении сопротивления нагрузки и
напряжения возбуждения и исследование мостовой схемы сложения мощностей нескольких генераторов.
Методические указания по подготовке к работе
Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) или усилитель мощности является важнейшим звеном подавляющего большинства
радиопередающих устройств. Основными требованиями к усилителю мощности являются: заданный уровень выходной мощности и
высокий коэффициент полезного действия. Это обеспечивается выбором режима колебаний 2-го рода с отсечкой коллекторного тока в
сочетании с критическим или слегка перенапряженным режимом
работы активного элемента. При этом амплитуда переменного напряжения на коллекторе близка к напряжению питания.
В течение периода колебаний транзистор переходит из одного
режима в другой. Например, из активной области в область отсечки и далее снова в активную (недонапряженный режим), или из
активной области в область насыщения, потом в активную, затем
в область с отсечкой и далее снова в активную область (перенапряженный режим).
Эмиттерный переход открывается лишь на часть периода колебаний высокой частоты, и ток коллектора представляет собой импульсный сигнал. Половина рабочей части периода, в течение которого ток протекает через АЭ, называется углом отсечки, обозначается  и измеряется в градусах. Рабочая часть периода составляет
2 градусов (рис. 2.1).
Косинусоидальные импульсы коллекторного тока содержат постоянную составляющую Ik0 , первую гармонику с амплитудой Ik1
и ряд более высоких гармонических составляющих Ikn .
¥
ik = Ik0 + Ik1 cos t + å Ikn cos nt.
n=2
15
iк
Iк max
24
W пр
4
Zt
Рис. 2.1. Осциллограммы импульсов коллекторного тока
Выходная цепь согласования настраивается на частоту первой
гармоники коллекторного тока и обеспечивает согласование требуемого эквивалентного сопротивления нагрузки транзистора Rý ,
при котором обеспечивается критический режим его работы, с сопротивлением нагрузки ГВВ Rí (рис. 2.2).
Постоянная составляющая коллекторного тока Ik0 и амплитуда первой гармоники Ik1 определяются амплитудой импульса коллекторного тока Ik max и углом отсечки  :
Ik0 = Ik max 0 (), Ik1 = Ik max 1 ().
Полезная мощность P1 на выходе транзистора равна:
1
1 Uk2 1
Ð1 = Ik21Rý =
= Ik1Uk ; Uk = Ek ;
2
2 Rý 2
 ()
1
P1 = Ik0 1
Ek ,
2
0 ()
где Uk = Ik1Rý – амплитуда переменного напряжения на коллекторе; 0 (), 1 () – коэффициенты гармоник.
L1
C1
L2
VT1
C2
C3
Uк
C4
Rн
Uн
Рис. 2.2. Схема генератора с внешним возбуждением
с цепями согласования для токов высокой частоты
16
Амплитуда переменного напряжения на коллекторе составляет
часть постоянного напряжения коллекторного питания Åk . ВелиU
чина  = k называется коэффициентом использования транзистоEk
ра по напряжению источника коллекторного питания.
Для критического режима êð = 0,9...0,95.
Мощность, потребляемая каскадом от источника питания Ð0 ,
определяется выражением:
P0 = Ik0 Ek .
Мощность, рассеиваемая на коллекторе:
Pk = P0 - P1.
Коэффициент полезного действия коллекторной цепи:
P
= 1 .
P0
Мощность, выделяемая на нагрузке ГВВ:
U2
P1í = í ,
Rí
где Uн – эффективное напряжение на нагрузке, измеряемое ламповым вольтметром, Rн – сопротивление нагрузки ГВВ.
Для согласования сопротивления нагрузки ГВВ с Rэ служит
цепь согласования, выполненная в виде П-образного колебательного контура. Кпд П-контура обозначим в более общем виде как
öñ – коэффициент полезного действия цепи согласования. Полезная мощность на выходе транзистора равна:
P1 =
P1í
,
öñ
Коэффициент полезного действия цепи согласования вычислим как
öñ =
1
1 + Qå / Qxx
,
где Qå = 6,6 – добротность нагруженного П-контура; Qxx = 60 –
добротность ненагруженного П-контура для исследуемой в лабораторной работе схемы.
17
Существенно увеличивать мощность на выходе одного транзистора нецелесообразно, так как неизбежен значительный перегрев
внутренней структуры по отношению к корпусу транзистора. В тех
случаях, когда мощности одного транзистора оказывается недостаточным, приходится складывать мощности нескольких активных
элементов в ГВВ.
Суммирование мощностей транзисторных ГВВ позволяет не
только повысить выходную мощность радиопередатчика, но и его
надежность, устойчивость работы и стабильность параметров передатчика в процессе эксплуатации. Основными требованиями,
предъявляемыми к суммирующим устройствам, являются:
мощность сигнала на выходе устройства должна быть равна
или близка сумме номинальных мощностей отдельных генераторов;
все генераторы, мощности которых складываются, должны
быть взаимно независимыми, т.е. изменения в режиме работы любого генератора не должны влиять на режим других генераторов.
Указанные требования должны выполняться во всей рабочей
полосе частот.
Для суммирования мощностей отдельных ГВВ широкое применение получил метод сложения мощностей с помощью мостовых
схем, обеспечивающих развязку между отдельными транзисторами. Такая развязка устраняет недостатки, присущие усилителям,
в которых транзисторы соединяются параллельно или последовательно (двухтактная схема). При отсутствии развязки транзисторы
из-за разброса своих параметров работают в различных режимах,
что уменьшает КПД и коэффициенты усиления мощности kр. Выход из строя хотя бы одного транзистора влечет за собой изменение
режима работы всех остальных.
ГВВ, объединяемые с помощью мостовых устройств, могут предварительно настраиваться отдельно на стандартную 75-омную нагрузку. При этом после объединения режимы работы транзисторов
практически не меняются, т.к. плечи мостовых делителей (сумматоров) согласованы и развязаны. При выходе из строя одного или
нескольких ГВВ выходная мощность в целом снижается, но работоспособность сохраняется.
Обычно суммируют мощности отдельных ГВВ, которые возбуждаются одним источником путем деления его энергии. Простейшее
мостовое устройство, используемое в цепях деления и суммирования мощности, структурно представлено на рис. 2.3, а и 2.3, б соответственно.
18
ɛ)
ɚ)
I1
U0
1
U1
1
2
2
3
3
I2
U2 Zн2
U3 Zɧ3
I3
I2
U0 U2
U0 U3
2
2
3
I1
1
Zɧ1
U1
1
3
I3
Рис. 2.3. Устройства для деления и суммирования мощности
Рассмотрим схему делителя мощности, изображенную на
рис. 2.3, а. Входное сопротивление в сечении 11 при подключении к выходам 22, 33 согласованных нагрузок должно быть равно
ZÍ2 = ZÍ3 = 0 . Пусть генератор напряжения U1 с внутренним сопротивлением 0 отдает в нагрузку номинальную мощность P1.
Тогда мощности в нагрузках ZÍ2 и ZÍ3 на выходе делителя должны быть равными Р1/2. Так как в делителе неизбежны потери мощности, то в нагрузках они оказываются несколько меньше, чем Р1/2.
Выходы 22 и 33 должны быть развязаны, т.е. при любом изменении сопротивления нагрузки, например ZН2, мощность в нагрузке ZН32 должна оставаться неизменной и равной Р1/2. Если эти
условия выполняются, то в режиме суммирования (рис. 2.3, б) то
же устройство позволит получить в нагрузке суммарную мощность
двух одинаковых синфазных генераторов. Полные сопротивления
ZÍ2 = U2 / I2 , ZÍ3 = U3 / I3 . Независимо от того какая цепь включена левее точек 22, 33, входы 2 и 3 моста сумматора оказываются
развязанными.
Для развязки транзисторов в схеме усиления мощности мостовая схема должна иметь в схемах делителя и сумматора балластные резисторы. Для усиления мощности в каждом канале на выходе моста-делителя должен быть свой усилительный элемент (ГВВ),
который работает с допустимыми энергетическими параметрами:
выходная мощность P1, коэффициент усиления мощности kp. Коэффициент усиления мощности всей мостовой схемы равен kp, т.е.
коэффициенту усиления мощности одного ГВВ.
В большинстве случаев сложение мощностей сигналов двух генераторов не позволяет получить заданную выходную мощность.
При большем числе генераторов применяют многополюсные делители и сумматоры, к которым предъявляют те же основные требования, что и к устройствам сложения мощностей двух генераторов:
19
согласованные сопротивления входов и выходов и развязка между
собой выходов моста-делителя и входов моста-сумматора.
Ниже рассматриваются только энергетические соотношения для
синфазной схемы моста-сумматора. Так как на основании принципа взаимности для синфазной схемы моста – делителя получаются
подобные соотношения, если нагрузочные сопротивления активных элементов заменить на выходные сопротивления моста-делителя, а нагрузочное сопротивление моста сумматора заменить на
входное сопротивление моста-делителя. При равенстве амплитуд и
фаз отдельных генераторов КПД моста-сумматора равен единице.
Если к схеме моста подключены все работающие генераторы, то
потери мощности отсутствуют и КПД моста равен 1. При выходе из
строя m генераторов происходит потеря мощности на балластных
резисторах и КПД моста å станет меньше 1. Мощность на выходе
Рвых уменьшится из-за выхода из строя m генераторов и из-за падения КПД моста-сумматора:
Ðâûõ =
Ð
m
(N - m)2
P1, å = âûõ = 1 - ,
N
Ðâõ
N
где Ðâõ = (N - m) P1 – мощность на входе моста-сумматора; P1 –
мощность одного генератора; N – число входов моста-сумматора;
m – число вышедших из строя генераторов.
Узкополосная схема моста сумматора
на реактивных элементах
В лабораторной работе исследуется узкополосная мостовая схема на реактивных элементах, построенная по принципу «мост делитель – мост сумматор». На рис. 2.4 изображена только функциональная схема узкополосного моста сумматора мощностей четырех
(m = 4) транзисторных генераторов с суммированием токов.
На основе схем, приведенных на рис. 2.4 и 2.5 построена принципиальная схема мостового усилителя, выполненная по принципу «мост делитель/мост сумматор», которая приведена на рис. 2.7.
Схема моста сумматора (рис. 2.4) выполнена на четырех одинаковых пассивных четырехполюсниках на фазосдвигающих цепочках для задержки выходного сигнала транзистора на /2. Для
этого схема каждого четырехполюсника выполнена на основе симметричного П-контура с C1 = C2 = C, так что все реактивные сопротивления каждой П-цепи равны по модулю:
20
XC1 = XC2 =
1
= L = X, (см. рис. 2.5).
C
Согласование выхода моста-сумматора с сопротивлением нагрузки передатчика осуществляется Г-цепочкой L3, C5 (см. рис. 2.7).
Rг = R
Rб = R
U1
Ro mR
M= S/2
Rг = R
Rб = R
U2
Ro mR
M= S/2
L
C
Rг = R
Rб = R
U3
Rн
Ro mR
M= S/2
Rг = R
Rб = R
U4
Ro mR
M= S/2
Рис. 2.4. Функциональная схема узкополосного моста сумматора
R
L
C1
C2
Rн
Рис. 2.5. Схема фазосдвигающего четырехполюсника
21
Г-контур, состоящий из элементов L3, C5 трансформирует выходное сопротивление моста R в сопротивление нагрузки передатчика Rн. Функциональная схема моста-делителя имеет аналогичное построение в силу принципа взаимности с мостом-сумматором.
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из генератора с внешним возбуждением и мостовой схемы сложения мощностей, конструктивно объединенных в одном корпусе. Питание установки осуществляется от стабилизированного источника питания 27,5 В. Тумблером
«Схема выхода» к источнику питания подключается генератор с
внешним возбуждением (положение «Генератор») или мостовая
схема сложения (положение «Мост»).
Генератор с внешним возбуждением
Генератор с внешним возбуждением (рис. 2.6) собран на транзисторе VТЗ (КТ 922 А) по схеме с общим эмиттером. В коллекторной
цепи применена схема параллельного питания (L5 – блокировочная индуктивность, С8 – блокировочная емкость, C10 – разделительная емкость). Для согласования с нагрузкой ГВВ используется
П-образный фильтр (С9, L8, С11). Для этого фильтра добротности
Qå = 6,6; Qxx = 60. Нагрузкой усилителя является набор резисторов R10…R14.
Напряжение возбуждения подается на базу транзистора VT3 от
предварительного усилителя на транзисторе VT2, собранного по
аналогичной, как и на транзисторе VT3 схеме. П-фильтр образован
емкостями С4, С7 и индуктивностью L4 и согласует малое входное
сопротивление каскада на VT3 c выходным сопротивлением каскада VТ2. Регулировка напряжения возбуждения на входе каскада на
VТЗ осуществляется изменением коллекторного питания транзистора VT2 с помощью делителя R4, R9 в базовой цепи эмиттерного
повторителя на транзисторе VT1 переключателем «Амплитуда напряжения возбуждения».
Постоянная составляющая коллекторного тока генератора с
внешним возбуждением на VT3 измеряется с помощью амперметра
PA.
Эффективное значение напряжения на нагрузке ГВВ Uн измеряется с помощью лампового вольтметра ВЗ-56. Переключатель
«Точка наблюдения» должен находится в положениях 1 или 2.
22
S1 «Ампл. возбуждения»
VT1
R1
C1
L1
1
R3
R2
C2
C3
L3
C5
C4
L5
C10
L4
L2
VT2
L6
C7
Возбудитель
2 МГц
VT3
Осциллогр.
C1-99
R10 1
C9
R11 2
L8
S2 «Нагрузка»
R13 4
R14 5
C11
+27,5B
Делитель
1:10
K1
pA
C8
R12 3
L7
C6
+27,5В
2
3
4
5
6
7
R4 R5 R6 R7 R8
R9
Вольтметр
B3-56
1
2
«Точка наблюдения»
3 4 5
1
2
3
S3a
4
5
S3б
Рис. 2.6. Схема генератора с внешним возбуждением
Для наблюдения осциллограмм в различных точках схемы используется двухлучевой осциллограф С1-99. На первый вход постоянно подано напряжение возбуждения. На второй вход подается
либо переменное напряжение на коллекторе транзистора VT3 (переключатель «Точка наблюдения» находится в положении I), либо
на нагрузке ГВВ (переключатель «Точка наблюдения» находится в
положении 2).
Мостовая схема сложения мощностей
Мостовая схема сложения мощностей четырех генераторов
представлена на рис. 2.7. Генераторы, мощности которых складываются, собраны по схемам, аналогичным схеме генератора с внешним возбуждением на VTЗ (см. рис. 2.6).
В базовых цепях генераторов включен мост-делитель, образованный четырьмя П-фильтрами (С2, L1, С3), обеспечивающий со23
+27,5В
Возбудитель
2 МГц 4 Вт
pA
C11
2
C21
C31
3
C3 2
S13 R13
C13
L13
C2 3
C3
3
S14 R14
C14
C6
L14
C2 4
L21
C34
C41
VT1
5
1
L12
C2 2
4
R21
L11
S12 R12
C12
У1
1
S11 R11
У2 4
C42
2
3
5
1
У3 4
C5
L3
L2 3
R23
C43
2
3
5
1
У4 4
L2 4
R24
R3
C44
2
3
L22
R22
5
C8
1
Осциллограф
C1-99
Делитель
1:10
2
3
4
5
S3a
1
2
3
4
5
S3б
Вольтметр
B3-56
«Точка наблюдения»
Рис. 2.7. Схема мостового усилителя
гласование выходного сопротивления возбудителя и входных сопротивлений усилителей (генераторов). П-фильтры соединены с
возбудителем через разделительные емкости С1. Резисторы R11,
R12, R13, R14 – балластные сопротивления, необходимые для балансировки моста-делителя.
24
Тумблерами S1 можно в любой последовательности и любом количестве включать генераторы в схему сложения, подавая на каждый из генераторов коллекторное питание. Величина постоянной
составляющей суммарного коллекторного тока Ik0 измеряется с помощью амперметра PA1. Напряжение на нагрузке Uн измеряется с
помощью вольтметра В3-56 (переключатель «Точка наблюдения» в
положении 3–5).
Для наблюдения осциллограмм в различных точках схемы используется осциллограф С1-99. На первый вход постоянно подано
напряжение возбуждения. На второй вход подается либо напряжение на коллекторе транзистора VT1 (переключатель «Точка наблюдения» в положении 3), либо напряжение в узловой точке балластных резисторов моста-сумматора R21, R22, R23, R24, включенных
звездой (положение 4), либо на выходе моста-сумматора (нагрузке
моста, положение З).
Порядок выполнения работы
1. Изучить принципиальные схемы и расположение органов
управления и измерительных приборов на макете лабораторной
установки.
2. Включить лабораторную установку, осциллограф С1-99 и
вольтметр ВЗ-56.
3. Исследовать зависимость режима работы и энергетические
характеристики генератора с внешним возбуждением от величины
напряжения возбуждения. Для этого подать питание на схему генератора с внешним возбуждением (переключатель «Нагрузка» в
положение 3). Исследования провести при Rн = 75 Ом. Для каждого
значения напряжения возбуждения снять значения тока коллектора Ik0 и напряжения на нагрузке Rн и зарисовать осциллограммы
напряжений на базе, коллекторе и нагрузке.
4. Исследовать зависимость режима работы и энергетические
характеристики генератора с внешним возбуждением от сопротивления нагрузки.
Исследования провести при напряжении возбуждения Uвозб =
= 1,9 В. Для каждого значения сопротивления нагрузки Rн записать значения тока коллектора Ik0 и напряжения на нагрузке Uн,
зарисовать осциллограммы напряжений на коллекторе и нагрузке.
Результаты измерений и расчетов свести в табл. 2 и построить
графики зависимостей измеренных и рассчитанных величин от сопротивления нагрузки.
25
Таблица 1
Положение
Расчетные величины
переключателя
Uвоз, Ik0, Uн,
Рн, Р1, Р0, Рк, , Примечание
В
А
В
«Амплитуда напряжения
Вт Вт Вт Вт %
возбуждения»
1
2
3
4
5
6
7
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
Ек = 27,5 В
Rн = 75 Ом
Таблица 2
Расчетные величины
Ik0, Uн,
Рн, Р1, Р0, Рк, , Примечание
А
В
Вт Вт Вт Вт %
Положение
переключателя
«Нагрузка»
R н,
Ом
1
2
3
4
5
50
62,5
75
87,5
100
Ек = 27,5 В
Uвоз = 1,9 В
ô = 0,9
5. Переключатель «Генератор/Мост» установить в положение
«Мост». Переключатель «Точка наблюдения» установить в положение 3. Исследовать энергетические характеристики мостовой
схемы сложения мощностей:
Измерив постоянную составляющую тока Ik0 и напряжение на
нагрузке моста Uн, вычислить энергетические характеристики для
каждого из четырех генераторов: мощность, потребляемую от источника питания P0 и мощность в нагрузке моста Pн, подключая
поочередно каждый из генераторов к источнику питания. Результаты свести в табл. 3.
Таблица 3
№ генератора
Ik0
Uн
Р0
Рн
26
1
2
3
4
Примечание
Ек = 27,5 В
Rн = 75 Ом
6. Исследовать зависимости мощностей и КПД моста-сумматора
от числа одновременно включенных генераторов.
Измерениям подлежат напряжение на нагрузке моста и потребляемые токи коллекторных цепей генераторов. Энергетические
соотношения для моста сумматора вычисляются с учетом следующих положений.
Если к входам моста подключены все генераторы, то в синфазной мостовой схеме сложения токи через балластные резисторы
отсутствуют и потери мощности на балластных резисторах равны
нулю, Если пренебречь потерями мощности в реактивных элементах моста, то КПД моста равен 1. При этом мощность на выходе моста (в нагрузке передатчика) равна сумме мощностей всех генераторов на входе моста-сумматора.
Для идентичных генераторов мощность на входе моста от каждого равна P1, и мощность на выходе моста P = NP1,
где N – число входов моста-сумматора.
Ниже приводятся расчетные формулы для оформления лабораторной работы
Вычисляем мощность одного генератора на входе моста
P1 = P / N.
При выходе из строя одного или нескольких, например m, генераторов часть мощности оставшихся генераторов будет рассеиваться в нагрузке, а часть в виде тепла в балластных резисторах. За счет
потерь мощности на балластных резисторах КПД моста-сумматора
å станет меньше 1.
Мощность на входе моста
Ðâõ = (N - m) P1.
Мощность на выходе моста-сумматора (в нагрузке) Pâûõ = Pí
уменьшится из-за выхода из строя m генераторов и из-за выделения тепла в балластных резисторах:
Ðâûõ =
Ð
m
(N - m)2
P1, å = âûõ = 1 - .
N
Ðâõ
N
Для каждого числа подключенных генераторов N рассчитать
мощность:
U2
на выходе моста, выделяемую в нагрузке моста Ðí = í ;
Rí
27
Таблица 4
Включены
генераторы
Ik0,
А
Uн,
В
Рн,
Вт
Расчетные величины
РN, Р0, Рб+Рк, Рб,
Вт
Вт
Вт
Вт
1,2,3,4
1,2,3
1,2
1
,
%
Примечание
Ек = 27,5 В
Rн = 75 Ом
мощность, отдаваемую генераторами в схему (на входе моста)
PN =
På N
4
, N = 1,2,3,4,
где På – мощность в нагрузке моста при подключении всех четырех генераторов;
мощность потребляемую от источника питания Ð0 = Ik0 Ek ;
мощность, рассеиваемую на балластных резисторах,
Pá = ÐN - Pí ;
мощность потерь на коллекторе и балластных резисторах
Pá + Pê = P0 - Pí ;
КПД коллекторной цепи  = Pí / P0 .
Результаты расчетов свести в табл. 4.
По полученным данным построить графики зависимости мощностей и КПД от числа подключенных генераторов к схеме мостасумматора.
Литература
1. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: учебник
для вузов / под ред. Г. М. Уткина, В. Н. Кулешова и М. В. Благовещенского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1994. 416 с.
2. Радиопередающие устройства: учебник для вузов // В. В. Шахгильдян, В. Б. Козырев, А. А. Ляховкин и др. / под ред. В. В. Шахгильдяна, 3-е
изд., М.: Радио и связь, 2003. 560 с.
3. Шахгильдян В. В., Карякин В. Л. Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах подвижной связи: учеб. пособие для вузов / под ред. В. В. Шахгильдяна. M.: СОЛН-Пресс, 2011. 400 с.
3. Ворона В. А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета:
учеб. пособие для вузов. М.: ВУЗ, 2007. 384 с.
4. Павлов Б. А., Вилесов Л. Д., Филатов В. Н. Генераторы с внешним возбуждением: учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2003. 28 с.: ил.
28
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ АВТОГЕНЕРАТОРОВ
С КВАРЦЕВОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ЧАСТОТЫ
Цель работы: изучение принципов работы и построения схем
транзисторных автогенераторов с кварцевыми резонаторами, исследование влияния основных дестабилизирующих факторов на
частоту автоколебаний.
Методические указания по подготовке к работе
Исследуется работа схем транзисторных автогенераторов, частота колебаний которых близка к собственной резонансной частоте эквивалентной колебательной системы, образованной элементами резонансного контура и подключенными к нему реактивными
составляющими проводимостей транзистора. Основным требованием, предъявляемым к автогенераторам, работающим в составе
радиопередающего устройства, является высокая стабильность частотных колебаний. Изменение частоты колебаний во времени вызывается воздействием дестабилизирующих факторов, из которых
доминирующими являются изменения питающих напряжений
и температуры окружающей среды. Стабильность частоты колебаний тем выше, чем менее чувствительны к воздействию дестабилизирующих факторов элементы колебательной системы и чем
выше ее добротность. Имеется потенциальная возможность обеспечения стабильности параметров резонансного контура, в то же
время входная и выходная емкости транзистора, входящие в состав
эквивалентной колебательной системы автогенератора, весьма нестабильны. Увеличение напряжения питания и температуры приводит к возрастанию крутизны транзистора, а следовательно, его
входной и выходной емкостей. Частота колебаний транзисторного
автогенератора понижается.
Введение в колебательную систему автогенератора кварцевого резонатора, обладающего высокими эталонными свойствами и
очень большой эквивалентной добротностью, повышает стабильность частоты автогенератора на несколько порядков. Кристаллы
кварца имеют вид шестигранных призм с пирамидами на концах.
Сечение кварца перпендикулярно оптической оси, представляет
собой правильный шестиугольник. Оси, перпендикулярные граням шестиугольника, называются механическими; оси, проходя29
щие через вершины шестиугольника, называются электрическими. Кристаллический кварц обладает пьезоэлектрическим эффектом. Деформация кварца вдоль одной из осей вызывает на гранях,
перпендикулярных оси, появление электрических зарядов. Это –
прямой пьезоэлектрический эффект. Приложение электрических
зарядов к граням кварцевого резонатора приводит к механическим
деформациям – это обратный пьезоэлектрический эффект. Таким
образом, прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты дают
возможность связать механическую колебательную систему –
кварцевый резонатор с электрическим колебательным контуром.
Кварцевый резонатор имеет высокий модуль упругости, малые
коэффициенты линейного и объемного расширения, т.е. кварцевый резонатор как механическая колебательная система имеет
высокую добротность и высокие эталонные свойства. Как любая
механическая колебательная система кварцевый резонатор имеет
множество частот, амплитуды которых зависят от среза пластины,
т.е. ориентации ее относительно механической и электрической
осей, ее формы, геометрических размеров и вида колебаний – вида
деформации пластины. При воздействии на кварцевый резонатор
переменного напряжения в нем возникают механические колебания, амплитуда которых резко возрастает, вблизи резонансной
частоты кварцевого резонатора, также резко возрастает и протекающий через резонатор ток. В области резонанса кварцевый резонатор эквивалентен последовательному колебательному контуру.
Кварцевый резонатор помещен между проводящими обкладками,
к которым прикладывается переменное напряжение и которые образуют механическую конструкцию крепления кварцевого
Cq
резонатора – кварцедержатель. Проводящие обкладки и кварцедержатель образуют некоторую емкость C0, шунтирующую
кварцевый резонатор. С учетом кварцедерC0
Lq
жателя эквивалентная схема кварцевого
резонатора представляет собой параллельный колебательный контур третьего вида,
rq
имеющий две резонансные частоты – последовательного и параллельного резонансов (рис. 3.1).
Эквивалентная схема кварцевого резонатора
дает возможность определить знаРис. 3.1. Эквивалентная
чение эквивалентной добротности кварсхема резонатора
30
цевого резонатора, частоты последовательного и параллельного
резонансов, коэффициент включения р, отражающий связь резонатора с внешней электрической схемой. Для кварцевого резонатора
с частотой около 5 МГц эквивалентная добротность Q0 составляет
»200000, а коэффициент включения p = Cq / (C0 + Cq ) » 10-3. Частота последовательного резонанса ïîñë = 1/ Lq Cq , частота параллельного резонанса ïðë = 1/ Lq
Cq C0
Cq + C0
.
Из-за того, что р«1, различие частот последовательного и параллельного резонанса очень мало и составляет сотые доли процента от
частоты последовательного кварца. Эти величины обуславливают
высокую стабильность частоты кварцевого генератора.
Если составить последовательную схему замещения контура
кварца, изображенного на рис. 1, то зависимость активного и реактивного сопротивлений от частоты в последовательной схеме имеет
вид, показанный на рис. 3.2.
Как видно из рис. 3.2, на частотах выше ïðë и ниже ïîñë реактивное сопротивление кварцевого резонатора имеет емкостный
характер, а в промежутке частот ïðë – ïîñë – индуктивный.
Таким образом, схемы кварцевых генераторов могут использовать кварцевый резонатор как высокодобротную индуктивность,
обладающую высокими эталонными свойствами, входящую в состав колебательной системы автогенератора. Схемы такого вида
называют осцилляторными.
Rэ, Xq, Mq
Rэ
0
Z1
Z0
Xq
Z
Mq
Рис. 3.2. Зависимость активного и реактивного сопротивлений
кварцевого резонатора от частоты и его фазовая характеристика
31
На частотах вблизи последовательного резонанса кварцевый
резонатор имеет малое сопротивление, что используется в схемах
автогенераторов с включением кварца в цепь обратной связи. Подобные схемы также называются фильтровыми. Баланс амплитуд
в них выполняется вблизи частоты последовательного резонанса.
Автогенераторы с кварцевым резонатором могут работать на
одной из высших гармоник кварца. Эти схемы называют гармониковыми генераторами. Используют такие срезы кварцевых резонаторов, у которых легче выделить одну из высших гармоник,
обычно третью, пятую, седьмую. Статическая емкость кварца затрудняет возбуждение автогенератора на высших гармониках, поэтому строят мостовую схему, в которой статическая емкость нейтрализуется, такие схемы автогенераторов с кварцем называют
мостовыми.
Осцилляторные схемы работают между частототами ïðë и
ïîñë , где кварц выполняет функции высокодобротной индуктивности и активная составляющая контура кварца еще невелика. На
частоте параллельного резонанса контура кварца слишком велико
активное сопротивление кварца (десятки и сотни кОм) и в схеме автогенератора не выполняется баланс амплитуд.
Фильтровые схемы работают вблизи частоты последовательного
резонанса, где сопротивление кварца в цепи обратной связи мало.
Одним из недостатков кварцевых резонаторов является их старение, т.е. очень медленное уменьшение их резонансной частоты.
У прецизионных кварцев старение составляет не более 10–7 от основной частоты за весь срок службы. Периодическая проверка
кварцевых генераторов эталонами частоты необходима.
Зависимость свойств кварцевого резонатора от изменений внешней температуры очень мала и в значительной степени определяется срезом кварца. Чтобы уменьшить уход частоты при изменении
температуры, весь кварцевый генератор помещают в термостат.
В ответственных узлах синтезаторов частот кварцевый генератор помещен в двойной термостат, что значительно повышает его
долговременную стабильность. Однако нагрев кварцевого резонатора происходит и за счет большой амплитуды его механических
колебаний. Особенно велика амплитуда колебаний в осцилляторных схемах, где мощность, рассеиваемая резонатором, составляет
до 10 мВт. Прецизионные кварцевые резонаторы, работающие в
фильтровых схемах, рассеивают мощность порядка единиц микроватт поэтому стабильность частоты колебаний возрастает еще в
большей степени.
32
Описание лабораторной установки
Исследуется работа четырех схем автогенераторов. Первый из
них (рис. 3.3, а) выполнен по емкостной трехточечной схеме без
Cр
ɚ)
+Uпит.
R3
Cр
Lбл
R1
Cбл
L1
C2
C1
R2
C3
VT1
ЭП
Lɛɥ
Cэ
Rэ
ɛ)
+Uпит.
R3
ZQ1 C3
Lбл
R1
Cбл
R2
Cэ
C1
VT1
C2
ЭП
Rэ
ZQ1
ɜ)
+Uпит.
R3
L1 C3
Lбл
R1
Cбл
R2
Cэ
ɝ)
+Uпит. R1
C1
VT1
C2
Rэ
Lбл1
R4
R2
C1
ЭП
R3
VT1 C2 R5
C4
L1 L2 L3 L4 L5
VT2
ZQ1
Rэ1
1 2 3 4 5
S1
ЭП
Rэ2
C3
Рис. 3.3
33
применения специальных мер стабилизации частоты. Колебательный контур автогенератора составлен из индуктивности L1, емкости C1 и емкостей C2, C3, Последние образуют емкостной делитель
напряжения, поступающего на эмиттерный повторитель на выходе
генератора. Остальные реактивные элементы генератра необходимы для фильтрации по источнику питания, осуществляют блокировочные и разделительные функции.
Осцилляторная схема автогенератора с кварцевым резонатором
представлена на рис. 3.3, б. Это емкостная трехточечная схема с
включением кварца между базой и коллектором транзистора. Здесь
кроме кварца, выполняющего функции индуктивности, в контур
генератора входят емкости C1, C2 и C3. Назначение остальных реактивных элементов такое же как и в предыдущей схеме.
На рис. 3.3.в показана фильтровая схема, в которой кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Колебательный контур
трехточечного автогенератора составлен из индуктивности L1, емкости C3 и емкостей C1, C2.
В гармониковой схеме автогенератора (рис. 3.3, г) кварцевый
резонатор также замыкает цепь обратной связи. Здесь напряжение
обратной связи снимается с коллектора транзистора VT2 и по цепи
обратной связи подается на вход эмиттерного повторителя на транзисторе VT1. Кварц включен в цепь обратной связи между эмиттерным повторителем VT1 и эмиттером транзистора VT2, в коллектор
которого включен параллельный колебательный контур, составленный из емкости С4 и одной из индуктивностей L1…L5. Перестройка контура осуществляется коммутацией индуктивностей
L1…L5 переключателем S1. Ряд собственных частот контуров соответствует нечетным гармоникам кварца.
Частота генерируемых колебаний измеряется цифровыми частотомерами, подключенными к автогенераторам через эмиттерные
повторители, исключающие влияние входных емкостей соединительных кабелей на параметры колебательных систем генераторов.
Питание генераторов осуществляется от регулируемого источника
напряжения. С целью снятия температурных зависимостей автогенераторы помещены в термостат.
Порядок выполнения работы
1. Включить частотомеры и дать им прогреться в течение не менее 15 мин. Термостат пока не включать.
2. Включить источник питания.
34
Изменяя напряжение питания от 9 до 15 В, регистрировать частоту колебаний автогенераторов (за исключением третьего) по
показаниям частотомеров с точностью до единиц Гц. Для гармониковой схемы (АГ 4) показания снять во всех пяти положениях
переключателя S1 (1, 3, 5, и 9 гармоники кварца). Данные эксперимента занести в табл. 1.
В табл. 1 и табл. 2 f = f - f1 – абсолютная нестабильность чаf
стоты и
– относительная нестабильность частоты вычисляются
f1
по результатам экспериментов; f1 – частота колебаний, соответствующая напряжению питания 9 В.
Построить семейство характеристик f = 1 (Eê ) для абсолютной
нестабильности и f / f1 = 2 (Eê ) для относительной нестабильности частоты, используя полулогарифмический масштаб (по вертикальной оси).
3. Включить термостат, закрыть его дверцу.
Таблица 1
Зависимость частоты колебаний от напряжения питания
АГ 1
Eк, В
f,
Гц
АГ 2
f
f1
f,
Гц
f
f1
1-я г.
f, f
Гц f1
3-я г.
f,
Гц
f
f1
АГ 4
5-я г.
f,
Гц
f
f1
7-я г.
f,
Гц
f
f1
9-я г.
f, f
Гц f1
9
10
11
13
14
15
Эксперименты, выполненные для генераторов АГ 1 и АГ 2, повторить для генератора по фильтровой схеме АГ 3. Данные занести
в табл. 2.
Таблица 2
Eк, В
f, Гц
9
10
…
15
f
f1
35
Установить напряжение питания 12 В. Переключатель на блоке
термостата перевести в положение 3, что соответствует возбуждению гармоникова автогенератора АГ 4 на 3-й гармонике кварца).
Снять зависимость частоты колебаний автогенераторов от температуры, регистрируя показания частотомеров при повышении температуры в термостате через каждые четыре градуса (от комнатной
температуры, до 60С). Данные эксперимента занести в табл. 3.
При оформлении отчета дополнить таблицу расчетными величинами, построить графики зависимостей в полулогарифмическом
масштабе: f = 3 (tC) для абсолютной нестабильности частоты и
f
= 4 (tC) для относительной нестабильности частоты автогенеf1
ратора. f1 – частота колебаний, соответствующая начальной температуре проведения эксперимента.
Таблица 3
Зависимость частоты колебаний от температуры среды
АГ I
t,С
f,
Гц
АГ 2
f
f1
f,
Гц
АГ 3
f
f1
f,
Гц
АГ 4
f
f1
f,
Гц
f
f1
25
.
.
.
.
.
60
4. Выключить источник питания и термостат, открыть дверцу
термостата.
Дополнительное задание при выполнении работы
как научно-исследовательской
1. Исследовать влияние реактивности, подключаемой параллельно кварцевому резонатору, на амплитуду, частоту и стабильность колебаний при измерении питающих напряжений в осцилляторной схеме автогенератора.
2. Исследовать влияние реактивности, подключаемой последовательно кварцевому резонатору на амплитуду, частоту и стабильность колебаний в осцилляторной схеме автогенератора. Объяс36
нить причины изменения параметров схемы и возможные пределы
изменения частоты колебаний автогенератора.
Оформление отчета
1. Принципиальные схемы всех исследуемых автогенераторов,
2. Таблицы с экспериментальными и расчетными данными.
3. Графики по результатам экспериментов и расчетов.
4. Краткие выводы.
Литература
1. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: учебник
для вузов / под ред. Г. М. Уткина, В. Н. Кулешова и М. В. Благовещенского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1994. 416 с.
2. Радиопередающие устройства: учебник для вузов // В. В. Шахгильдян В. Б. Козырев, А. А. Ляховкин и др. под ред. В. В. Шахгильдяна. 3-е
изд., М.: Радио и связь, 1994. 416 с. 2003. 560 с.
4. Шахгильдян В. В., Карякин В. Л. Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах подвижной связи: учеб. пособие для вузов / под ред. В. В. Шахгильдяна. M.: СОЛН-Пресс, 2011. 400 с.
5. Ворона В. А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета:
учеб. пособие для вузов. М.: ВУЗ, 2007. 384 с.
6. Павлов Б. А., Вилесов Л. Д., Филатов В. Н. Генераторы с внешним
возбуждением: учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2003. 28 с.: ил.
37
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1. Исследование генератора с внешним
возбуждением..................................................................... 3
Лабораторная работа № 2. Исследование транзисторного генератора с внешним возбуждением и мостовой схемы сложения
мощностей нескольких генераторов ....................................... 15
Лабораторная работа № 3. Исследование транзисторных автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты ..................... 29
38
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
237 Кб
Теги
vilesovfilatov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа