Задание по расчетной части работы рассчитать и построить амплитудную характеристику амплитудного ограничителя (АО) с шунтирующими диодами

Вид материала

Исследование

Содержание 3. Задание по экспериментальной части работы 4. Лабораторная установка 5. Содержание отчета 6. Вопросы для самопроверки и контроля 7. Дополнительные теоретические сведения 0 - собственное затухание контура, g Список литературы

Подобный материал:

• Методические указания по структуре и содержанию курсовых работ методические указания, 1000.21kb.
• Оформление результатов проектирования курсовой проект, 64.91kb.
• Задание по начертательной геометрии для студентов 1 курса   Задание №1 Задача №1 , 909.02kb.
• Курсовая работа "Расчет выпрямителя" Задание Часть 1 (обязательная для выполнения), 14.86kb.
• Маркетинг- план объединенной компании, 1007.77kb.
• Министерство образования и науки республики беларусь, 284.9kb.
• Дисциплина Электроника «расчет маломощного источника вторичного электропитания», 222.87kb.
• Задание расчетной области (выбор рассматриваемой при расчете системы помещений, определение, 178.85kb.
• Основная часть постарайся выполнить все задания этой части. Выполняй их по порядку., 121.72kb.
• Представляем Вашему вниманию Маркетинг-план Объединенной Компании Faberlic, который, 859.84kb.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ


Исследование амплитудных ограничителей:

с шунтирующими диодами;

на транзисторах с эмиттерной связью;

балансного частотного детектора с настроенными связанными контурами.


2. ЗАДАНИЕ ПО РАСЧЕТНОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ

2.1. Рассчитать и построить амплитудную характеристику амплитудного ограничителя (АО) с шунтирующими диодами.

2.2. Изобразить примерный вид амплитудной характеристики АО на транзисторах с эмиттерной связью.

2.3. Изобразить детекторную характеристику исследуемого ЧД для одного из значений фактора связи между контурами.


3. ЗАДАНИЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ


3.1. Снять и построить амплитудную характеристику АО с шунтирующими диодами и оценить порог ограничения.

3.2. Снять и построить амплитудную характеристику АО на транзисторах с эмиттерной связью и оценить порог ограничения.

3.3. Снять и построить детекторную характеристику ЧД для установленного в макете значения коэффициента связи между контурами k_св (фактора связи ) при наличии одного из вышеуказанных ограничителей.

3.4. Снять и построить характеристики зависимости напряжений в верхнем и нижнем плечах ЧД от частоты (при том же ограничителе).

4. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА


4.1. Частотный детектор и амплитудные ограничители, реализуемые в лабораторном макете, изображены на рис. 1. При установке переключателей S₁ , S₂ , S₃ в положение 1 реализуется схема ЧД с АО с шунтирующими диодами, при установке этих переключателей в положение 2 - с АО на транзисторах с эмиттерной связью. Связь между катушками L₁ и L₂ , осуществляемая через сопротивление связи jM, зафиксирована и соответствует фактору связи  = 2...3. При необходимости


подстройка контуров на частоту сигнала 6,5МГц может быть осуществлена при помощи конденсаторов С₄ и С₈. В состав лабораторной установки помимо макета ЧД с АО входит генератор стандартных сигналов (ГСС), вольтметры переменного и постоянного тока (для измерения напряжения на выходе ЧД).




Для снятия амплитудных характеристик АО (после подключения макета к источнику питания) вольтметр переменного тока следует подключить к гнезду “И_{вых огр.}”. С целью экономии времени при снятии амплитудных характеристик АО целесообразно сначала грубо ориенг оценить порог ограничения АО, достаточно быстро увеличивая входное напряжение (И_вых ГСС) и следя за моментом, когда напряжение , перестает интенсивно расти. Зафиксирован соответствующее порог (ориентировочному) И_вых ГСС, следует его уменьшить в 2.. .3 раза, после чего снять 2...3 точки амплитудной характеристики до порога ограничения, 2 3.точки в районе порога и З...4 точки за порогом ограничения.

Детекторную характеристику ЧД при одном из ограничителей (по выбору или указанию преподавателя) снимают при входном напряжении, превышающем порог ограничения в 2. . .3 раза с помощью вольтметра постоянного(!) тока. Для этого предварительно проверяют, есть ли “ноль” на выходе ЧД при установке частоты ГСС, равной 6,5 МГц. Затем, поставив на вольтметре переключатель режима работы в положение “+И” для нескольких значений расстройки f ГСС, отметить (зафиксировать) соответствующие значения И_вых ЧД. Вернуться к частоте ГСС, равной 6,5 МГц, поставить переключатель режима работы вольтметра в положение “-И’ и для аналогичных значений расстройки -f ГСС измерить и зафиксировать соответствующие значения напряжений.

Аналогично снимаются напряжения И_{вых 1} и И_{вых 2} (см.рис. 1), путем подключения вольтметра постоянного тока между точками 1-3 или 3-2.

В лабораторном макете используются элементы схемы, имеющие следующие параметры: диоды ДIО4А с напряжением запирания (“пятки”) И_з = 0,7 В и крутизной S_д=66 мА/В; транзистор VT₂ имеет крутизну ВАХ S=15 мА/В; контуры имеют примерно одинаковую добротность, для них d_э1= d_э2=0,05, С_э1= С_э2=220 пФ.


5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА


Отчет должен содержать расчетные формулы, результаты расчетов по ним в виде графиков, результаты эксперимента в виде таблиц и графиков, схему макета.


6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И КОНТРОЛЯ


6.1. Принцип действия АО с шунтирующими диодами.

6.2. От чего зависит порог ограничения АО с шунтирующими диодами?

6.3. Форма амплитудной характеристики АО с шунтирующими диодами и факторы, на нее влияющие.

6.4. Изобразите эпюру колебательного процесса на колебательном контуре, к которому подключены диоды, при различных входных напряжениях.

6.5. Изобразите ориентировочные ВАХ диода при относительно больших или малых коэффициентах экспоненты γ и I_s

6.6. Принцип действия АО на транзисторах с эмиттерной связью.

6.7. Факторы, влияющие на величину порога ограничения АО на транзисторах с эмиттерной связью.

6.8. Форма амплитудной характеристики АО на транзисторах с эмиттерной связью.

6.9. Дайте сравнительный анализ амплитудных характеристик АО с шунтирующими диодами и на транзисторах с эмиттерной связью.

6.10. Принцип действия ЧД со связанными настроенными контурами.

6.11. Влияние связи между контурами в ЧД на форму его детектор ной характеристики.

6.12. Крутизна детекторной характеристики ЧД и факторы, на нее влияющие.

6.13. От чего зависит форма и протяженность рабочего участка детекторной характеристики ЧД?

6.14. факторы, определяющие эквивалентные затухания контуров ЧД.

6.15. Почему фазовый сдвиг между векторами напряжений на первом и втором контурах ЧД при отсутствии расстройки равен π/2 ?

6.16. Почему напряжение И₁ с первого контура, поступая во второй через конденсатор С₂ не получает дополнительного сдвига по фазе?

6.17.Назначение дросселя в схеме ЧД.

6.18. Почему при наличии ЧМ меняется взаимное расположение век торов напряжений на контурах?

6.19. Изобразите эпюры напряжений на входах АД в плечах ЧД при ЧМ.

6.20. Поясните механизм преобразования ЧМ в ФМ в ЧД.

6.21. Изменится ли форма детекторной характеристики ЧД при пере ходе к режиму работы, когда уровень сигнала ниже порога ограничения?

6.22. Что изменится в работе ЧД, если второй контур в ЧД сделать апериодическим (отключить конденсаторы С₇ и С₈)?

6.23. Изобразите АЧХ верхнего и нижнего плеч ЧД (И_{вых 1} и И_{вых 2})

6.24. Что изменится в работе ЧД, если отключить R_ш ?


7. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ


Частотный детектор представляет собой устройство, вырабатывающее постоянное напряжение, пропорциональное отклонению частоты (девиации) подводимого колебания от некоторой частоты настройки. Знак напряжения зависит от знака расстройки. При качании (частотной модуляции) частоты сигнала с частотой F напряжение на выходе ЧД имеет вид переменного напряжения с частотой F.

Как указывалось, схема ЧД показана на рис. 1 и реализуется при подключении одного из двух указанных на схеме ограничителей.

Однозначного толкования процессов, протекающих в схеме данного ЧД, нет. Согласно теории ЧД, изложенной, например, в [1…3], работа ЧД сводится к векторному суммированию опорного напряжения И₁, поступающего во второй контур через конденсатор достаточно большой емкости С₂ и выделяющегося на дросселе, и двух половинок напряжения на втором контуре И₂, сдвинутого по фазе относительно И₁ при нулевой расстройке за счет сопротивления связи между контурами јωМ на π/2.


Таким образом, для одного из плеч ЧД (например, верхнего) можно записать векторную сумму напряжений, поступающих на вход верхнего АД в виде

(1а)
а для нижнего плеча в виде


(1б)
Поскольку АД реагирует лишь на амплитуду входного напряжения, то для нахождения И_вых ЧД следует взять разность модулей |И_Д1| - |И_Д2| и умножить ее на коэффициент передачи АД - К_Д .

Итогом изложенного подхода является строгая формула





где нормированная детекторная (иногда – «дискриминационная») характеристика ЧД имеет вид





(2)

обобщенная расстройка α=У/d_Э1, относительная расстройка У=(f/f0)-(f0/f)≈2f/f0 , f - текущая расстройка,  - фактор (обобщенный коэффициент) связи, равный =К_св/d_э=М/(√L₁L₂)d_э, d_э=d_э1=d_э2 – эквивалентное затухание контуров (принятое одинаковым).

Функционал ψ(α,) изображен на рис. 2.


рис.2

Равенство эквивалентных затуханий контуров обеспечивается подбором шунта R_ш, подключаемого ко второму контуру потому, что тот шунтируется входным сопротивлением амплитудных детекторов слабее, чем первый, поскольку по отношению к нему АД включены последовательно, а по отношению к первому контуру они включены параллельно.

Изложенный метод анализа трактует работу ЧД со связанными настроенными контурами следующим образом: исходная ЧМ преобразуется в АМ (точнее, в АЧМ [2]), а затем детектируется балансной схемой АД. Однако этот метод неточен в той части, что не учитывает наличие ограничителя в первом контуре, т.е. наличие в нем нелинейного элемента.

Последнее означает, что при работе ЧД с входными сигналами, превышающими порог ограничения (т.е. в рабочем режиме), АЧХ первого контура имеет не колоколообразную форму, а имеет вид горизонтальной прямой (в пределах рабочего участка).

Это обстоятельство открывает следующую возможность физической трактовки работы ЧД при наличии ограничителя в первом контуре, упомянутую в [1]. Легко видеть, что правая часть схемы ЧД при отсутствии конденсаторов С₇,С₈ (т.е. если второй контур не резонансный, а апериодический) представляет собой обыкновенный балансный фазовый детектор (ФД) с опорным напряжением И₁.

В отличие от классического ФД, в котором частота напряжения И₁ обычно постоянна, в данной схеме она переменна в такт с частотой сигнала, поступающего через сопротивление связи јωМ , что не принципиально с точки зрения конечного результата. Некоторое принципиальное отличие состоит в том, что в классическом варианте использования ФД информация заложена в ФМ самого сигнала, а в данном случае дополнительный фазовый набег при девиации появляется за счет фазовой характеристики второго контура, поскольку, как отмечалось, при наличии С_7,8 он резонансный.

Естественно, если второй контур резонансный, то в нем возникает и АМ (паразитная), которой, однако, при надлежащем выборе фактора связи между контурами, по-видимому, можно пренебречь, поскольку АЧХ полосового фильтра при критической связи достаточно близка к столообразной (максимально плоская АЧХ).

Таким образом, трактовка работы ЧД с настроенными контурами возможна и с позиций векторомерного ФД балансного типа [1], для которого также справедливы векторные уравнения (1), однако векторное суммирование напряжений должно осуществляться не по закону комплексных чисел, а по формуле «косинусов» [1], т.е. исключительно с учетом фазового сдвига между постоянным векторами. А так как этот фазовый сдвиг обусловлен видом ФЧХ двух связанных контуров, то и вид детекторной характеристики ЧД (функции ψ), идентичен соответствующему виду ФЧХ при различных .

Можно указать еще на одно отличие классического ФД от гипотетического в схеме рис. 1. Дело в том, что детекторная характеристика ФД имеет вид «косинусоиды» (И_вых=const cosφ ), в то время как в схеме ЧД она фактически «синусоидальна» (рис. 2). Это обусловлено дополнительным фазовым сдвигом на π/2 , возникающим за счет сопротивления связи јωМ.


7.2. Амплитудный ограничитель с шунтирующими диодами.


Принцип работы АО с шунтирующими диодами состоит в том, что при увеличении мгновенного напряжения на контуре, начиная с некоторого уровня, соответствующего напряжению запирания диода (рис. 3) И₃, ток через диод резко возрастает, контур сильно шунтируется малым прямым сопротивлением открытого диода, его эквивалентное сопротивление резко падает, после чего уменьшается усиление транзистора (К_о = SR_э1) и напряжение на контуре практически перестает нарастать, т.е. возникает эффект ограничения.





рис.3

Проанализируем работу АО на основании эквивалентной схемы рис. 4, где дополнительно обозначено через R' сопротивление открытого перехода диода, соответствующее усредненному за период сигнала значению при кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода (см. рис. 3).



рис.4


Действительно, ВАХ диода достаточно точно описывается экспонентой i_Д = I_S(e^γU – 1), которая при достаточно малых I_S (до 10 мкА) и больших γ (более 10) вполне удовлетворительно аппроксимируется линейно-ломаной, в чем предлагается читателю убедиться самостоятельно.

Остальные обозначения на рис. 4 известны, при этом





где проводимость первого контура





(
сравните это выражение с соответствующим для второго контура)





G0 - собственная проводимость контура (первого или второго), G0=d0/ρ

d
0 - собственное затухание контура, g_Д = 1/R'‚ G₂₂ – выходная проводимость транзистора VT₂ с крутизной ВАХ S. Эквивалентные емкости контуров C_э1 и С_э2 включают в себя емкости соответствующих элементов схемы рис. 1 (вплоть до емкости монтажа) и в дальнейшем полагаются одинаковыми (С_э).


- входная проводимость амплитудного детектора (одинаковая для верхнего и нижнего плеч);

g_вн21 и g_вн12 - соответственно, вносимые проводимости из второго контура в первый и, наоборот, из первого во второй.

В соответствии с принятым определением входное сопротивление диода равно амплитуде приложенного к диоду напряжения, деленной на амплитуду первой гармоники импульсного тока через диод I_1Д имеющего угол отсечки Ө



(3)
(4)

где

α1(Ө) - коэффициент ряда Фурье разложения периодической последовательности косинусоидальных импульсов (коэффициент Берга)




(5)
I_макс - импульс тока диода, равный (см.рис. 3)


(6)

где S_Д - крутизна ВАХ диода.

Е]одставив (4)...(6) в (3) и поделив числитель и знаменатель на И_м1 получим, учитывая, что




после несложных преобразований

(7)

При амплитуде сигнала на входе транзистора VT₂ И_{м вх} и крутизне ВАХ транзистора


И_м1=SU_mвх/G_э1 (8)

В дальнейшем будем рассматривать случай эффективного ограничителя, в котором применены диоды с большой крутизной S_Д ВАХ, а проводимость контура G₁^׳ , когда он не шунтируется диодами, мала.

Тогда Ө<<1 и можно ограничиться двумя членами разложения функции sin(2Ө) в ряд:






Теперь (8) с учетом (7) можно записать в виде

(9)

Поскольку И_з/И_м1 = cosӨ = 1 Өⁿ/2 (при Ө<<1), то отсюда имеем


(10)

После подстановки (10) в (9) и деления обеих частей равенства на И получим





(11)


Заметим, что левая и правая части в (11) содержат искомое И_м1, однако при высоком качестве ограничения для левой части возможно допущение Им1/Из ≈ 1; полагая также (4*2^3/2/3π) ≈ 1 и вводя понятие «усиление диода» Кд = SД/G1', представим (11) в виде


(12)


Из (12) следует, что для повышения эффективности работы ограничителя следует выбирать диоды с высокой крутизной ВАХ, а контур с высокой начальной добротностью





При этом можно реализовать амплитудную характеристику АО с шунтирующими диодами, лежащую практически горизонтально (за порогом ограничения), что подтверждает правомерность ранее принятого допущения И_м1/И_з





7.3. АО на транзисторах с эмиттерной связью


Как указывалось, схема ЧД с ограничителем на транзисторах с эмиттерной связью реализуется при положении переключателей S₁,S₂ и S₃ в положении 2. В этом ограничителе первый транзистор VТ1 включен по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), а второй - по схеме с общей базой. Путем подбора резистора R_э и соответствующего выбора режима по постоянному тока (резисторы R₁...R₄) эта пара транзисторов работает в линейном режиме лишь в сравнительно узком диапазоне входных напряжений (рис. 5) И_вх. При превышении амплитудой сигнала некоторого порогового (И₁ или И₂) уровня при отрицательной полуволне транзистор VТ2 закрывается падением напряжения на R_э, а при положительной переходит в ре жим насыщения, так как в этом случае ток через транзистор VТ1 уменьшается и, соответственно, уменьшается падение напряжения на R_э.

Включенный в коллекторную цепь транзистора VТ2 колебательный контур выделяет первую гармонику тока I_К2, который имеет форму усеченных импульсов, имеющих в пределе (при И_вх → ∞) форму меандра, т.е. угол отсечки 90°.

Для того, чтобы решить вопрос об амплитудной характеристике АО на транзисторах с эмиттерной связью, т.е. ограничителя с фиксированным уровнем ограничения (возможна и диодная модификация АО с фиксированным уровнем ограничения), надо ответить на вопрос о содержании уровня первой гармоники тока в импульсе тока амплитудой I'_макс - I''_макс (I''_макс = I'''_макс) (см.рис. 5). Как показывает гармонический анализ, в меандре первая гармоника превышает саму амплитуду меандра в 4/π раз. Это означает, что ограничители с фиксированным уровнем ограничения не могут быть идеальными и в пределе (при Ивх → ∞) имеют подъем амплитудной характеристики (ограничения), равный 4/π от уровня, имеющего место в районе порога ограничения.




С учетом изложенного читателю предлагается самостоятельно изобразить ориентировочный вид амплитудной характеристики АО на транзисторах с эмиттерной связью.


7.4. Исходные данные для расчета АО с шунтирующими диодами






СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Радиоприемные устройства / Под ред. проф. А.П.Жуковского. -

М.: Высшая школа, 1989. - § 7.5. - С. I49-152; § 7.3. - С. 137-140; § 7.4. - С. 141—143.

2. Исследование амплитудных ограничителей и частотного детектора. Описание лабораторной работы №18. Сост. Г.А.Александров, В.Ф.Луговой / ВЗЭИС. - 1982.

З. Смагин И.И., Чуркин Е.И. Методические указания по выполнению лабораторного практикума по курсу “Радиоприемные устройства” /

МИС. - М., 1991.

4. Радиоприемные устройства/ Под ред. проф.Н.Н.Фомина – М.: Горячая линия – Телеком, 2007г., 515с.