Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов направления 210400 «Радиотехника» г. Чебоксары 2011 г

Вид материала

Методические указания

Содержание I. требования предъявляемые к студентам при выполнении лабораторных работ Ii. экспериментальные исследования основных характеристик и количественных показателей усилителя Iii. лабораторная работа 1 Iv. лабораторная работа 2 V. лабораторная работа №3 Vi. лабораторная работа №4 Vii. лабораторная работа №5 Пятый коллоквиум Viii. лабораторная работа №6 Ix. лабораторная работа №7

Подобный материал:

• Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов, обучающихся, 99.32kb.
• Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Механические и физические, 114.99kb.
• Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «вычислительная техника, 640.55kb.
• Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Интеллектуальные, 653.36kb.
• Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине информатика для, 1065.17kb.
• Методические указания к лабораторным работам для студентов строительных специальностей, 619.38kb.
• Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов дневной формы обучения, 839.63kb.
• Методические указания по выполнению курсовых работ для студентов всех форм обучения, 456kb.
• Методические указания к выполнению курсовой работы «Разработка приложений, предназначенных, 348.71kb.
• Выписка из рабочей программы и методические указания к выполнению лабораторных работ, 347.39kb.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова»

(ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова»)


Кафедра радиотехники и радиотехнических систем


СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ


Методические указания по выполнению лабораторных работ

для студентов направления 210400 «Радиотехника»


г. Чебоксары 2011 г.


Введение


Настоящее методическое указание содержит описания лабораторных работ, выполняемых студентами в процессе изучения дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств».

Продолжительность каждого лабораторного занятия – 4 часа. В данный сборник включены пять лабораторных работ по исследованию усилительных схем на биполярных и полевых транзисторах и две работы по исследованию усилителей на интегральных схемах.


^ I. ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СТУДЕНТАМ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ


1.1. Подготовка к работе


По конспектам лекций и рекомендованной литературе проработать вопросы, которые относятся к данной лабораторной работе, используя методические указания;

ознакомится с описанием предстоящей работы;

На основе описания установки и работы составить необходимые схемы, продумать назначение отдельных элементов схемы и порядок включения схемы.

Ознакомится с используемой в работе измерительной и другой аппаратурой.

Перед выполнением работы каждый студент предъявляет преподавателю заготовленную форму отчета, а также построенные из теоретических соображений графики тех экспериментальных зависимостей, получить которые требуется в процессе работы.


1.2. Выполнение работ в лаборатории


Лабораторные работы выполняются в часы, предусмотренные расписанием, бригадами в составе не более четырех человек. Выполнению работы предшествует проверка знаний студента. Проверка производится преподавателем в начале занятия. При этом студент показывает преподавателю все материалы, выполненные в процессе подготовки к работе. При удовлетворительном состоянии материалов студент получает конкретные вопросы. При положительных ответах на контрольные вопросы студент допускается к выполнению работы. Если материалы, представленные студентом, или его ответы на контрольные вопросы признаны преподавателем неудовлетворительным, студент к работе не допускается. Студенты, допущенные к работе, выполняют ее в соответствии с описанием. Измеренные величины сводят в таблицы, по которым строятся графики. Экспериментальные данные, не отвечающие теоретическому ходу кривой, должны быть проверены повторно. Работа считается законченной после просмотра и утверждения полученных материалов преподавателем.

По окончании работы студент должен выключить источники питания и приборы и привести рабочее место в порядок.


1.3. Оформление отчета и зачет по работе


Отчеты по всем работам составляются в этот же день в часы, отведенные расписанием. Необходимые графики и характеристики вычерчиваются на заготовленных бланках. При этом экспериментальные точки обводятся кружочками. Каждый график должен иметь порядковый номер и поясняющую подпись. На осях координат должны быть указаны величины и единицы их измерения. Расчет отдельных показателей должен сопровождаться необходимыми пояснениями.

Отчет должен содержать: цель работы, принципиальную схему макета и структурные схемы данного эксперимента в соответствии с заданием; таблицы, графики зависимостей и эпюры напряжений, построенные по результатам эксперимента; подробные выводы.

Выводы являются важной частью отчета, в которых рекомендуется дать физическое истолкование полученных зависимостей, а при отклонении данных эксперимента от расчетных следует объяснить возможные причины.

Отчет представляется преподавателю в тот же день в конце работы. Если выполненная работа удовлетворяет настоящим требованиям, студенту выставляется зачет по данной работе.

Студент, не предъявивший отчет по предыдущей работе, к последующей работе не допускается. На основании зачетов по каждой выполненной работе студент получает итоговый зачет по лабораторному практикуму в целом.


1.4. Бально -рейтинговая система контроля


С целью формирования и развития профессиональных навыков, обучающихся и реализации компетентностного подхода государственные образовательные стандарты нового поколения предусматривают широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий в сочетании с внеаудиторной работой.

Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, определяется главной целью (миссией) программы, особенностью контингента обучающихся и содержанием конкретных дисциплин, и в целом в учебном процессе они должны составлять не менее 20% аудиторных занятий.

Информационно -коммуникационные технологии проведения учебных занятий заключаются в использовании сети Интернет, персонального компьютера (ноутбука) и видеопроектора. Внедрение информационно-коммуникационных технологий состоит из следующих этапов:

• подготовка лектором электронных версий курса лекций и презентаций к ним;
  
• обеспечение доступа студентов к этим материалам через сеть Интернет размещением на сайте кафедры до начала учебного процесса по данной дисциплине;
  
• самостоятельная подготовка студентов к предстоящей лекции, включая предварительное конспектирование;
  
• изложение лектором материала лекции с помощью персонального компьютера и видеопроектора, что значительно сокращает время проведения лекции;
  
• выступления студентов по темам лекций на семинарских занятиях;
  
• использование балльно- рейтинговой системы оценки знаний студентов.
  

Контроль над самостоятельной систематической работой студентов проводится с использованием балльно-рейтинговой системы. Балльно-рейтинговая система контроля знаний является элементом системы управления качеством образования, способствующим переходу к кредитной системе. Главное здесь - это накапливание (суммирование) в течение семестра количественных оценок, являющихся результатом учебной деятельности студента по каждому предмету. Рейтинговая система позволяет связать учебную и воспитательную составляющие образовательного процесса, повысить ритмичность работы студентов, соответствие их оценок реальным знаниям. Рейтинговая система оценки качества учебной работы студентов направлена на совершенствование образовательного процесса путем активизации самостоятельной работы, обеспечение планомерной, регулярной учебной работы студентов и текущего контроля успеваемости профессорско-преподавательским составом, повышение гласности и объективности оценки качества работы студентов за учебный семестр и год.

По дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» каждый студент в течение четвертого и пятого семестров зарабатывает следующие рейтинговые баллы: 1 балл - за прослушивание одной лекции; 1 балл- за участие на каждом семинарском занятии; 2 балла - за своевременное выполнение лабораторной работы; 3-5 баллов (оценка по пятибалльной системе) - за сдачу одного коллоквиума; до 5 баллов (оценка знаний по пятибалльной системе) - за текущую активность на семинарских занятиях; 20, 15, 10 баллов - за своевременную защиту курсового проекта на соответствующие оценки «отлично», «хорошо», «удовлетворительно».

Коллоквиумы проводятся во время лабораторных работ, в результате которых студент отвечает на вопросы соответствующего раздела и получает оценку по пятибалльной системе. Оценка за сдачу коллоквиума нужна, прежде всего, студенту для определения глубины своих знаний и, вполне естественно, эти оценки используются для текущего контроля знаний студентов со стороны кафедры и деканата. По этим баллам определяются результаты аттестации, они учитываются при выставлении окончательной экзаменационной оценки. Это вполне логично, на экзамене студент отвечает на 3-4 вопроса и имеет ограниченное время для собеседования с преподавателем, поэтому может быть элемент случайности. Трудно проверить умение самостоятельно применить полученные знания в практической работе, поэтому учет оценок текущей самостоятельной работы лишь повысит достоверность их. Более того, балльно-рейтинговая система предусматривает проставление зачета и экзамена студентам, которые получают отличные оценки за коллоквиумы в течение семестра. Студенты, не сдавшие коллоквиум, к выполнению лабораторных работ не допускаются.

В четвертом семестре по учебному плану студенты прослушивают 9 лекций, выполняют три лабораторные работы и сдают три коллоквиума. Следовательно, максимальный рейтинговый балл в четвертом семестре, который студент может заработать, 9+6+15+5=35. Студент, набравший за четвертый семестр 31 балл, получает зачет автоматически.

В пятом семестре – 8 лекций, 8- семинарских занятий, 4 лабораторные работы, 4 коллоквиума и защита курсового проекта. Таким образом, максимальный рейтинговый балл за пятый семестр 8+8+8+20+20+5=69. В ходе изучения курса «Схемотехника аналоговых электронных устройств» студенты выступают на семинарских занятиях по теме лекции. Качество выступлений оценивается по пятибалльной системе. Всего за четвертый и пятый семестры каждый студент может заработать 104 балл. Студент, набравший за два семестра 94 балл, получает автоматически оценку «отлично» за экзамен.


^ II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ УСИЛИТЕЛЯ


2.1. Амплитудная характеристика


Амплитудная характеристика усилителя (АХ) представляет собой зависимость установившего значения выходного напряжения сигнала от входного.

Используется АХ для определения динамического диапазона усилителя , характеризующего диапазон изменения напряжения сигнала, усиливаемого данным усилителем без помех и искажений.





Рис. 2.1. Амплитудная характеристика


Значение U_{вх min} определяется уровнем собственных помех усилителя, а U_{вх max} – напряжением насыщения активного элемента усилителя (рис. 2.1.).

Структурная схема установки для снятия АХ приведена на рис. 2.2.




Рис. 2.2. Структурная схема установки


Снятие АХ производится для сигнала с f_c=I кГц. При этом сначала грубо определяется величина U_вх, при котором наступает искажение выходного сигнала.

Затем снимают зависимость , изменяя U_вх от 0 до U_{вх max} шагом .

Для определения U_{вх min} участок характеристики U_вх=0 до снимается с более мелким шагом (6-8 точек). Результаты измерений сводят в таблицу.

f_c=1 кГц

Таблица 1

Uвх
Uвых

Для предварительных каскадов усиления определяется также напряжение собственных помех U_п , для чего измеряют напряжение при замкнутом входе усилителя (генератор сигналов отключен).


2.2. Амплитудно-частотная характеристика


Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала.

АЧХ строится в прямоугольной системе координат в полулографичесом масштабе (по вертикали – линейный, по горизонтали –логарифмический). Для УНЧ АЧХ имеет вид, представленный на рис. 2.3.




Рис. 2.3. Амплитудно-частотная характеристика


По АЧХ оценивают коэффициент частотных искажений , диапазон рабочих частот (полоса пропускания) . Здесь – значения частот, при которых коэффициент усиления снижается до величины 0,707 К₀.

К₀ – значение коэффициента усиления в области средних частот.

.

Спад АЧХ в области низких частот определяется величиной переходной (разделительной) емкости, а на верхних частотах – величиной паразитной емкости, определяемой межэлектродными емкостями: С₀=С_вых+С_вх+С_м .

Структурная схема установки при снятии АЧХ не отличается от приведенной на рис. 2.2.

Снятие АЧХ производится в следующем порядке:

на вход усилителя подают сигнал с амплитудой (U_вх), соответствующей середине динамического диапазона усилителя, и в дальнейшем амплитуда U_вх поддерживается неизменной;

изменяя частоту входного сигнала, добиваются максимального значения U_вых , что соответствует средней частоте полосы пропускания;

уменьшают частоту генератора до тех пор, пока U_вых уменьшается до значения 0,707 U_{вх max} , что соответствует f_н ;

аналогично определяют f_в , увеличивая частоту генератора до тех пор, пока U_вых уменьшается до величины 0,707 U_{вх max} ;

найдя таким образом граничные частоты, производят по 5-6 замеров U_вых для частот в окрестностях f_н , f_в ;

производят 5-6 замеров U_вых в диапазоне средних частот.

По полученным данным рассчитывается коэффициент усиления в каждой точке замера и относительный коэффициент усиления .

Результаты измерения и расчетов сводят в таблицу.

пост Таблица 2

fc, Гц
lg fc
Uвых,
Ki
Yi

По полученным данным строят АЧХ.

При снятии АЧХ широкополосных усилителей обычно определяют лишь f_в , при этом значения U_вых и К определяются для заданных заранее значений f_c . В этом случае особенно следует уделять внимание поддержанию постоянной амплитуды входного сигнала - U_вх .


^ III. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1


ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ


3.1. Цель работы


Изучить особенности построения схемы усилительного каскада на полевом транзисторе. Исследовать основные свойства резисторного каскада на полевом транзисторе с управляемым р-n переходом и каналом р-типа.

Исследовать влияние параметров схемы на качественные показатели и характеристики усилителя.


3.2. Описание принципиальной схемы макета


Для исследования основных характеристик резистивного усилительного каскада на полевом транзисторе КП 103 используется макет, принципиальная схема которого приведена на рисунке 3.1. Ограничитель (RI, VI, V2, V3) обеспечивает ограничение входного сигнала для защиты полевого транзистора от перегрузки. Резистор R5 в цепи истока является элементом автоматического смещения и позволяет менять положение рабочей точки на проходной характеристики транзистора.

Для изучения влияния значений элементов схемы на характеристику усилителя используются следующие переключения:

переключателем ПI можно изменить величину R_н ;

переключатель П2 позволяет изменить значение емкости разделительного конденсатора;

переключателем П3 меняется значение активной составляющей входной проводимости следующего каскада;

переключатель П4 меняет величину емкости С_о, шунтирующую выход усилительного каскада;

конденсатор С2 шунтирует (замыкает) R5 по переменной составляющей выходного тока.




Рис. 3.1. Схема принципиальная УНЧ на полевом транзисторе


3.3. Порядок выполнения работы


3.3.1. Снять экспериментальным путем и построить амплитудные характеристики усилительного каскада для частоты сигнала f_с =1000 Гц при двух значениях стоковой нагрузки: R3 = 3,3 кОм; R4 = 10 кОм.

Ось потенциометра R5 при этом должна быть установлена для получения максимальной амплитуды U_вых. Затем, изменив U_вх снять амплитудную характеристику для R3 =3,3 кОм. R4 =10 кОм. Значения остальных элементов схемы должны быть следующими: С_о = С₆ =4700 пф; С_р = С₃ =5 мкф; R7 = 100 кОм. Результаты заносятся в таблицу и строятся графики согласно пункту 2.1.

По полученным амплитудным характеристикам определить динамический диапазон усилителя при различных значениях сопротивления нагрузки. Проанализировав полученные характеристики и показатели привести подробные выводы.


3.3.2. Снять и построить частотные характеристики усилительного каскада для следующих значений элементов схемы: R_н=R4=10 кОм;

С₃=5 мкф; П3 в положении R6, П4 в среднем положении. Результаты заносятся в таблицу и строятся графики согласно пункту 2.2.

Определить нижнюю и верную граничную частоты, коэффициент усиления на средних частотах К₀ и полосу пропускания усилителя на уровне 0,707 К₀.


3.4. Контрольные вопросы

Первый коллоквиум

1. Общая структурная схема АЭУ

2. Структурная схема усилителя

3 Функциональная схема усилителя. Входные и выходные данные

4. Коэффициент усиления

5. АЧХ. Количественные показатели АЧХ

6. Фазовая характеристика

7. Амплитудная характеристика. Динамический диапазон усилителя

8. Переходная характеристика

9. Нелинейные искажения

10. Принципы построения усилительного каскада

11. Усилительный каскад на электронной лампе

12. Усилительный каскад на полевом транзисторе

13 Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общей базой

14. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером

15. Развязывающий фильтр

16. Графики напряжений и токов в цепях усилительного каскада на полевом транзисторе

17. Графики напряжений и токов в цепях на pnp-транзисторе

18. Графики напряжений и токов в цепях на npn-транзисторе


^ IV. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2


ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ


4.1. Цель работы


Изучить особенности построения и работу резисторного усилительного каскада на биполярном транзисторе. Исследовать амплитудные и частотные характеристики резисторного усилителя низкой частоты.

Исследовать влияние номинальных значений элементов схемы на характеристики и показатели усилителя.


4.2. Описание принципиальной схемы макета


На рис. 4.1. приведена принципиальная схема исследуемого макета.

Исследуемый каскад собран на транзисторе V1 по резисторной схеме с ООС по току (резистор R6). Для изучения влияния значений элементов схемы на характеристики усилительного каскада в схеме предусмотрены в цепи коллектора переключатель П1, изменяющий номинал сопротивлений нагрузки R5 и R7; изменение разделительной емкости переключатель П2. Переключатель П3 позволяет подключать параллельно паразитной емкости к выходу усилителя дополнительную емкость С₄.




Рис. 4.1. Схема принципиальная электрическая


4.3. Порядок выполнения работы


4.3.1. Собрать и проверить схему лабораторной установки в соответствии с блок- схемой (рис. 4.2.)




Рис. 4.2. Блок- схема установки


Убедиться, что усилитель работает (использовать осциллограф).

4.3.2. Снять и построить амплитудные характеристики исследуемого каскада для f_с= I кГц при двух значениях коллекторной нагрузки: R5=10 кОм; R7=27 кОм. Остальные элементы должны быть следующими: R3=200 кОм;

С_р= 10 мкФ; П3 в разомкнутом положении. Результаты заносятся в таблицу и строятся графики согласно пункту 2.1.

По полученным АХ определить динамический диапазон усилителя для двух значений нагрузки.

4.3.3. Снять и построить частотные характеристики усилительного каскада на низких частотах при двух значениях разделительной емкости: С₂=10 мкФ, С₃= 6800 пФ. Остальные элементы следующие: R3 =200 кОм; R7 = 27 кОм. Результаты заносятся в таблицу и строятся графики согласно пункту 2.2.

4.3.4. Снять и построить частные характеристики на верхних частотах: при П3 в положении 1 и 2. Остальные элементы следующие: R3= 200 кОм; R7 =27 кОм; последующие каскады отключены. Результаты заносятся в таблицу и строятся графики согласно пункту 2.2.

4.3.5. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения для двух значений сопротивлений в цепи делителя: R2= 1 М и R3 = 200 кОм. Остальные элементы: R7 = 27 кОм, С₂= 6800 пФ, С_о=0, П3 в положении 1.


4.4. Контрольные вопросы