Автор: Фриск В.В. Логвинов В.В.
Теги: электротехника радиосвязь и радиовещание радиосвязь телекоммуникации телевидение учебное пособие радиовещание
ISBN: 978-5-91359-008-4
Год: 2008
Текст
В. В. Фриск, В. В. Логвинов
Основы теории цепей * Основы схемотехники Радиоприемные устройства ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ
Практическое освоение курсов Уникальная подборка заданий Широкая сфера применения Методика, испытанная временем!
Оценка «Отлично»!
Серия «Библиотека студента»
В. В. Фриск, В. В. Логвинов
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ, ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ, РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ
Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 554000 и 654400 Телекоммуникации по специальностям подготовки инженеров 201100 радиосвязь, радиовещание и телевидение, 201200 Средства связи с подвижными объектами и 201600 Защищенные системы связи.
Москва СОЛОН-ПРЕСС 2008
УДК 621.396.218
ББК 32.884.1
Ф89
Рецензенты:
Р. Б. Мазепа, профессор (МАИ);
В. В. Баринов, профессор (МИЭТ)
В. В. Фриск, В. В. Логвинов
Ф89 Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства. Лабораторный практикум на персональном компьютере. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 608 с.: ил. — (Серия «Библиотека студента»).
ISBN 978-5-91359-008-4 ( М 'V’l
Данное учебное пособие состоит из двух частей. В первой части представлены лабораторные работы по курсу «Основы теории цепей». Во второй части приведены лабораторные работы по курсу «Основы схемотехники» и «Радиоприемные устройства».
Все лабораторные работы выполняются на персональном компьютере с помощью системы схемотехнического моделирования Micro-Cap 8 или Micro-Cap 9.
Для студентов, бакалавров, магистров и аспирантов высших учебных заведений (университетов связи), инженерно-технических работников, также будет полезна учащимся техникумов и колледжей связи всех специальностей.
КНИГА - ПОЧТОЙ
Книги издагельегва «СОЛОН-ПРЕСС» можно заказать наложенным платежом (оплата при получении) по фиксированной цене.3аказ оформляется одним из трех способов:
1. Послать открытку или письмо по адресу: 123242. Москва, а/я 20.
2 Оформить заказ можно на сайте solon-prest.ru в разделе «Книга — почтой». 3.3аказать по тел.(495) 254-44-10. 252-73-26.
Бесплатно высылается каталог издательства по почте Для этого присылайте конверт с маркой по адресу, указанному в п.1
При оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому должны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество пеяучпеп.
Желательно указать дополнительно свой телефон и адрес электронной почты.
Через Интернет Вы можете н любое время получить свежий каталог издательства •СОЛОН-ПРЕСС*. считав его с aapecawww.solon-press.ru/kat.doc
Интернет-магазин размещен на сайте »>м.мЯоо-ргма.га.
По вопросам приобретения обращаться: ООО «АЛЬЯНС-КНИГА КТК»
Тел: (495) 258-91-94, 258-91-95, www.abook.nl
Сайт издательства СОЛОН-ПРЕСС: www.sokxi-press.ni.
E-mail: solon-avtor@coba.ni
>BN 978-5-91359-008-4 © Макет и обложка «СОЛОН-ПРЕСС., 2008
© В. В. Фриск, В. В. Логвинов, 2008
Предисловие
В первой части данного учебного пособия представлены лабораторные работы по дисциплине «Основы теории цепей» (OTU), включающие исследование аналоговых и цифровых цепей, позволяющих студентам закрепить и углубить знания и навыки при анализе электрических цепей с применением персонального компьютера (ПК).
Теоретическая часть материала, необходимого для выполнения лабораторных работ по первой части, изложена в книге Фриск В. В «Основы теории цепей». Дополнительные лабораторные работы могут быть взяты из книги того же автора «ОТЦ. Лабораторный практикум на персональном компьютере».
Каждая лабораторная работа первой части рассчитана на 2 ч предварительной подготовки и на 2 ч выполнения на ПК типа IBM PC, на котором установлена программа Micro-Cap 8.1.1 Evaluation Version или более высокой версии разработанной фирмой Spectrum Software.
Во второй части приведены лабораторные работы для студентов старших курсов, изучающих дисциплины «Основы схемотехники* и «Радиоприемные устройства». В первом разделе второй части изучаются свойства основных типов усилительных каскадов, в том числе и на базе ОУ, с использованием моделей принципиальной и эквивалентной схем усилителей. Исследуется влияние на частотные и переходные характеристики цепей межкаскадной связи, отрицательной обратной связи, цепей коррекции и свойств активных элементов. Во втором разделе второй части пособия моделируются углы приемно-усилительной аппаратуры с использованием принципиальных схем реальных устройств, осуществляющих генерацию, усиление, преобразование гармонических сигналов и детектирование сигналов различных видов модуляции. Исследуются искажения во временной и частотной областях, обусловленные: взаимным влиянием резонансных усилителей, параметрами нагрузки, режимами работы активных элементов, температурным режимом и другими факторами. Проводится оптимизация характеристик узлов радиоприемного устройства по выбранному критерию (полосе пропускания, коэффициенту линейных и нелинейных искажений, числу побочных каналов приема и др.). Анализ проводится с использованием моделей активных элементов отечественного производства.
Лабораторные работы второй части рассчитаны на 4 ч предварительной подготовки и на 4 ч выполнения на ПК.
*
upeoucjioeue
Данный компьютерный лабораторный практикум построен на использо вании системы схемотехнического проектирования Micro-Cap. Предполагает ся, что студенты имеют начальные представления об этом программе. Бесплат ную версию Micro-Cap (demo.zip 5,41 Мб) можно загрузить со следующего ад рсса в Интернет ht(p://www.spcctrurn-sofLcom/. Компьютерный практику» может быть предложен как альтернатива лабораторному практикуму, основан ному на физических (стендовых) моделях. Его могут использовать студенты и i дистанционной формой обучения. I
Работа по написанию данного учебного пособия распределилась следую щим образом: главу I написал Фриск В. В., главу 2 написал Логвинов В. В.
Глава первая ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ОТЦ
Лабораторная работа № 1
Знакомство с системой схемотехническоко моделирования Micro-Cap
•• 1
1 Цель работы
Установить программу Micro-Cap 8.I.I Evaluation Version или более высокой версии на персональный компьютер (ПК). Научиться собирать схемы с помощью этой программы.
2 Задание для самостоятельной подготовки
Изучить основные возможности программы Micro-Cap стр. 107—125 [ 1|, стр. 1 — 170 [2J и стр. 36— 117 |3]. Дополнительно познакомьтесь с литерагурой Н1 и [5]. С помощью этой программы ввести схему, например, заданную в курсовой работе по ОТЦ.
3 Установка программы Micro-Cap
Распакуйте файл deino.zip в директорию, например, в МС8.
Запустите Setup ехе из этой директории для установки Micro-Cap на свой компьютер (рис. 1).
На рабочем столе появиться ярлык этой программы.
Запустите Micro-Cap, щелкнув два раза мышкой на этом ярлыке. Появится окно этой программы (рис. 2).
6
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
JNST32I.=X_ Файл‘EX-* гэог-Б
nJSDd.exe
32-trt IrstaE/idd Dealer.
IrstaS-i^M e Cfirpcraoon
Is _sysi.hdr
•»d ©sin H>‘<
4 КБ
_user 1.her
ФдЙЛ TCP" 5 KB
AUTORLN.rP
Сведем -1Я для jU 1КБ
Рис. 1
. “34 _SetLpd
AJ 5.50.1340
JZJ 32-bst Lyncher Rescuce
juserlcab
-J L КБ
datal.cab
128УЭКБ
ZkS langdat
Файл DAT'
^ЕвРЪзКБ
CA setup bmp 417-521
I__-N TC'«?’>fc*l рисунск
jjgjb setup.ns
Г X^Tta С6ЯЗ-- C
59 KE
Строка заголовка----------
Строка меню---------------
Строки кнопок инструментов
Кнопка закрытия прграммы--------
Кнопка развертывания программы-Кнопка свертывания окна программ
Н Micro-Cap 8.1.1 О Evaluation Version - (С \MC8DEM0\data\circuit1.cir] • |— О| X
им Edrt Go * ponert; fthdowi1 Qpocrs inatysls Design ^odd tfc- | - j gj x j
□ as н eajt - 5 x ib ax-м j; + ~ < -e t> о -4- ф ?: i зё%
P_M___________ | !;з^^ ! gV.S
rt-*--T4\g»Pi *ffi <c~+ x cff'S « Э i
Граница окна
Рабочее окно
шппп
Select Mode
kMainXText\Mode!sXlnfo/ |j
Hlbrawing area И?
Вертикальная линейка прокрутки — Горизонтальная линейка прокрутки
Угол окна
Рис. 2
4 Знакомство с возможностями программы Micro-Cap
В меню Help выберите команду General Demo... и просмотрите, возможно несколько раз, основные возможности программы (рис. 3).
Нажмите клавишу F1 и ознакомьтесь с файлом помощи. В меню Help выберите команду About Micro-Cap и прочитайте номер версии (рис. 4).
Лабораторная работа № 1
7
MO\data\circuit1.
Search for Heb On...
Product Support..
User’s Gude...
Reference Marua...
Tip cf rhe Cay... '>=w мсз Features..
I
Statutes...
ChecK for updates..
Fl
AJt+Z
General Demo...
Addng New Parts Demo...
Рис. 3
Рис. 4
5 Редактирование вида элементов
Установите EURO графику для резистора. Для этого выберите в мню Window команду Component Editor... (рис. 5).
В окне Shape установите Resistor_Euro.
При закрытии этого редактора компонентов сохраните внесенные изменения (рис. 6).
Исправьте вид катушки индуктивности. Для этого в меню Windows выберите команду Shape Editor.... В появившемся левом окне установите Inductor (рис. 7).
Используя инструменты этого графического редактора, получите следующее изображение катушки индуктивности (рис. 8).
Замечание. Для удобства редактирования отключите фиксацию привязки графи ческих объектов к узлам сетки (Grid Snap) (рис. 8).
Аналогично можно исправить изображение источников напряжения, ис-
точников токов, транс
рматоров, микросхем и других
элементов.
Глава первая, описание лабораторных работ по ОТЦ
.1.0 Eval**>,4**R Version - [C:\MC8DEMO\data\circu1t1.c1r]
He VertKs Tie HorccoCal Overlap Hidm^e Aranpetocns
$hfc*F5
Shft-F4
Zoom-Jn
Zoom-out
Торре Dr j*ngText
SpfcHcrtzcrtai
Spit verted
. Remove
QrUNun* Ori+Num-CHUG
cnentEdtor,,.
Package Edtcr .
ОкОЛХ.и .
Check Mood -trary P ar ar e tars
Component Editor
tieme
Shape |pe> sior.E Defcn ten |pe> slot
Cott
lC>C8CCM0ss3t2Vrcutlcr
Рис. 5
| Resistor
Fesstor
О
а»**9п ujmpc • еМ Name to MODEL
A^eioc
Palete
Memo |Resistor
С 4pley MODE - Aruit ute
Cispley Fin Names 3 Г Citpley PinNcmters
Aftibute ~ert Oriente*
A?utdbe ledCr e-’ekx, 2
Minus Plus
Рис. 6
Лабораторная работа № 1
9
ЮН АО* ЮЛДию («01-.Sed) |AF1 Europe*
Рис. 8
6 Краткий справочник
6.1 Приставки
F Femto 1Л-15 4 Г 4 С
фемто 10 1с-1э
Р PiCO ПИКО 10*" 1Е-12
л Nano нано 10*9 1Е-9
и Micro микро ю4 1Е-3
m Midi милли 10*’ 1Е-3
к Kilo кило 103 1ЕЗ
MEG Mega мега 10* 1Е6-
G Giga гига ю9 1Е9
Т Tera тера 10" 1Е12
Например, I мкФ = luF. I кОм = IK.
6.2 Некоторые функции
Функции комплексной переменной z = х * jy
SlN(z) Синус, z в радианах njj gj . w J
COS(z) Косинус, z в радианах *2J Myj __
£AN(z) Тангенс, z в радианах
COT(Z) Котангенс, z в радианах
10
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Продолжение некоторых функ
Функции комплексно* переменной z = х ♦ jy
SEC(z) Секанс, z в радианах , 1
CSC(z) 1 Косеканс, z в радианах 1
ASIN(z) I Арксинус J
ACOS(z) Арккосинус 1
ATAN(z) Арктангенс
ATN(Z) Арктангенс ]
ARCTAN(Z) Арктангенс
ATAN2(y.x) Арктангенс2 « ATN(y/x) ]
ACOT(z) Арккотангенс 1
ASEC(z) Арксеканс ।» 11 • wi’4 1 < 1
ACSC(z) Арккосеканс J
SINH(Z) Гиперболический синус
COSH(z) Гиперболический косинус
TANH(z) Гиперболический тан'енс
COW) Гиперболический котангенс |
SECH(z) Гиперболический секанс i
CSCH(z) Гиперболический косеканс J
ASIKH(z) Гиперболический арксинус |
ACOSH(z) Гиперболический арккосинус
ATAMH(z) Гиперболический арктангенс
ACOTH(z) Гиперболический арккотангенс
ASECH(z) Гиперболический арксеканс
AC SC H(z) Гиперболический арккосеканс
Натуральный логарифм
LOG(Z) Десятичный логарифм
LOG1O(Z) Десятичный логарифм
EXP(z) Экспонента i
POW(z.x) Возведение в степень, zAx j
PWR(y.x) Возведение в степень действительного числа, уААх или” или АА (например; 5”2 » 25 или 5АА2 « 25)
PWRS(y,x) Возведение в степень действительного числа со знаком 1у1ААх, если у > 0. -1у1Ах если у < 0
HARM(u) Расчет гармоник сигнала и
EH(U) Прямое преобразование Оурье сигнала u(t) .
IH(S) Обратное преобразование Фурье спектра S
CONJ(S) Сопряженный комплексный спектр S
CSfu.v) Взаимный спектр сигналов и и v. равный CONJ(FFT(v))*FFT(u)wdfdl
Лабораторная работа № 1
11
Окончание некоторых функции
~ Функции комплексной переменной z = х * jy
AS(u) Собственный спектр сигнала и. равный CS(u.u)
CC(u.v) Взаимная корреляция сигналов и и v. равная IFT(CONJ(FFT(v))’FFT(u)rdt
АС{и) Автокорреляционная функция сигнала и, равная IFT(CONJ(FFT(u)>*FFT(u))*dt
COH(u.v) Нормированная корреляционная функция сигналов и и v, равная CC(urv>/sqrt(AC(u(O)>*AC<v(O»>
REAL(S) Действительная часть спектра S. рассчитываемая с помощью FFT
IMAG(S) Мнимая часть спектра S. рассчитываемая с помощью FFT
MAG(S) Модуль спектра S. рассчитываемый с помощью FFT
PHASE(S) Фаза спектра S, рассчитываемая с помощью FFT
Арифметические операции
♦ Сложение
• Вычитание
• Умножение
1 Деление
MOD Остаток после целочисленного деления
DIV Делочисленное деление
Стандартные логические функции
AND и
__ HAND НЕ-И
NOR ИЛИ
NOT НЕ
— 0R ИЛИ
_ XOR Исключающее ИЛИ
_ Операции отношения
< Меньше
> Больше
< Меньше или равно
> • Больше или равно
о или I Не равно
вя Равно
12
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
DIFD(u.v[,d))
Сравнение значений двух цифровых кривых и и v во всех точках анализа Воз* вращает 1 если во всех точках анализа функции отличается друг от друга, в пр тивном случае возвращает 0. В течении первых d секунд сравнение не проводиться. Тараметр d необязателен, по умолчанию d = 0
FACT(n)
Фагориал ст целого числа д
и!
Расторгал ст целой переменной и
IMPORT(f.y)
Импорт функции из файга f
IMPULSES
Функция импульса от амплитуды у в пределах от 1 до О
JN(n^|.m])
Функция Бесселя первого рола п-лорядка (m-членов ряда по умолчанию m = 10)
JO(z)
ЛИ
Функция Бесселя нулевого рода первого порядка
Функция Бесселя первого рода первого порядка
LAST(z.n>
Кривая z приосинавливается на г временно точек
МАХЯ(х)
MINR(x)
Возвращает наибольшее текущее значение х при временном или ОС-анализе
Возвращает наименьшее текущее значение х при временном или ОС-анализе
NORM(z.xO>
Кривая z нормализуется по переменной z где выражение X равно хО. Оператор в ДБ нормализован к 0
NORMMAX(z)
NCRMMIN(Z)
Кривая г нормализуется лс максимуму переменной z
Кривая z нормализуется пс минимуму переменном z
PROO(n Ш ,n2.z)
Вычисление сложного комплексного выражения z = z(n), для п ж л1 до п ж п2 Например PROO(n,1.3,bn)= [j*1 *0*3)« 0 *10j
Вычисление суммирования комплексного выражения z = z(n), для п = п1 до л = п2 Например SERIES(n.1.3,n*j)« ()♦!) ♦ (j*2) ♦ 0*3) = 6 ♦ 3j
SERlES(n.n1.n2.z)
SGN(y)
SQRT(z)
STP(xj
YN(n.z[,m))
YOU)
Y1(z)
Знак, Возвращает1 если у>С -1 если усО. 3 если у = 0
Корень из комплексного числа z
Ступенчатая функция амплитудой 1. Возвращав’ 0 при Т > ж х
Функция Бесселя второго рода п-порядка (п>-чпенсв ряда по умолчания m = 10)
Функция Бесселя нулевого рода 8’орого порядка
Функция Бесселя второго рода второго порядка
Лабораторная работа .У? 1
13
Функции от комплексной переменной г х ♦ jy
ОВ(г) Децибел от z (2Cig(lzl))
R£(z) Действительная **асть от г
iM(z) Мнимая часть от z
lMAG(z) Мнимая часть от z
IMG (г) Мнимая часть от z
MAG(z) Модуль Z
M(z) Модуль z
PH(Z) Фаза z в градусах
P(Z) Фаза z в градусах
PHASE(z) Фаза z в градусах
GD(z) Групповое время запаздывания. Ое1Га(Фаза от г)'ОеИа(^астота)
MIN(Zlj2) Минимум из действительной и мнимой частей z1 b z2
MAX(z1^2) Максимум из действительной и мнимой частей z1 b z2
juMIT(u1^2) Возвращав' z
|lF(bz1j2) Если b истина, функция возвращает zl иначе возвращается z2
Операции с логическими (цифровыми) переменными
0(A) Логическое состояние цифрового узла А
HEX(A.B.C.D) Значение состояний цифровых узлов А.В,С и D в 16-эичной системе
BIN(A.B.C.D) Значение состояний цифровых узлов АВ.С и D в 2-ичной системе
OEC(A.BC.D) Значение состояний цифровых узлов А.В.С и D в 10-ти мной системе
0CT(A.BC.O) Значение состояний цифровых узлов А.В.С и D в 8-ричнсй системе
♦ Сумма двух 2-. 8-. 16-. 1С-десятмчных чисел
• Разность двух 2-. 8-, 16-. 10*десятичных чисел
MOD Остаток после целочисленного деления двух 2-. 8-. 16-. 10-десятичных чисел
Dr; Целочисленное деление двух 2-, 8-. 16- ТС-песятчных чисел
& Операция И от состояний двух цифровых узлов
1 Операция ИЛИ от состояний двух цифровых узлов
A - —— __ Операция поразрздмого исключающего ИЛИ от состояний двух цифровых узлов
Операция поразр«дного исключающего НЕ от состояний двух цифровых узлов
/4
l.taea первая, описание лаоораторных работ по иТЦ
6.3 Некоторые функциональные клавиши
Для окна редактора схем:
F1 — вызов справки;
F3 — вызов окна Search;
F10 — вывод окна настроек.
Для окна Analysis:
F2 — возврат к графикам;
F3 — возврат к схеме;
F4 — переход к окну графиков.
Для окна графиков:
F2 — Run;
F3 — возврат к схеме;
F5 — просмотр файла с числовыми данными;
F9 — переход в окну ввода параметров графиков;
F11 — переход к меню Stepping.
6.4 Список переменных
0(A) Логическое состояние узла A
V(A) Напряжение узла А относительно Земли
V(A.B) Напряжение между узлами А и В
V(D1) Падение напряжения на приборе 01
(DI) Ток через прибор D1
ЦА.В) Ток между узлами А и В
IR(Q1) Ток. втекающий 8 полос R прибора 01
VRS(Q1) Напряжение между узлами R и S прибора 01
CRS(QI) Емкость между узлами R и S прибора Q1 1
QRS(Q1) Заряд между узлами R и S прибора 01
R(R1> Сопротивление резистора R1 к-
C(X1) Емкость конденсатора или диода Х1
Q(X1) Заряд конденсатора или диода Х1
ЦН) Индуктивность катушки или сердечника L1
X(L1) Магнитный по’ок в катушке или сердечника L1
B(L1) Магнил<ая индукция сердечника L1
H(L1) Напряженность магнитного поля в сердечнике L1
I Время
Лабораторная работа jv? 1
15
Окончание списка переменных
F Частота
S Комплексная частота, равная 2аРГЕ*|
' RNO Генератор случайных чисел (0 < = RND < = 1)
" ONOISE Напряжение шумов на выходе
INOISE Напряжение шумов на входе (ONOISE/gain)
" PG(V1) Мощность источника V1
PS(X1) Мощность емкостная или индуктивная поглощаемая прибором Х1
PD(D1) Мощность рассеиваемая прибором D1
7 Литература
1. Фриск В. В. Основы теории цепей. Лабораторный практикум на персональном компьютере. М.: СОЛОН-Пресс, 2002. 192 с.
2. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. М.: СОЛОН, 1997. 280 с.
3. Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. М.: Горячая линия—Телеком, 2003. 68 с.
4. Фриск В. В. Основы теории цепей. Расчеты и моделирование с помощью пакета компьютерной математики Mathcad. М.: СОЛОН-Пресс, 2006. 83 с.
5. Гаврилов Л. П., Соснин Д. А. Расчет и моделирование линейных электрических цепей с применением ПК. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 448 с.
Лабораторная работа № 2
Исследование на ЭВМ характеристик источника постоянного напряжения
1 Цель работы
С помощью программы Micro-Cap получить внешние характеристики и точников напряжения. Познакомиться с зависимыми источниками.
2 Задание для самостоятельной подготовки
Изучить основные положения теории цепей об источниках стр. 16—2 83—83 (I] и стр. 18—24 [2|. Выполнить предварительный расчет, письменг ответить на вопросы для самопроверки.
'вПМО 4
3 Предварительный расчет
• Ь И .< > J М •* П югмг'Птыйпп з й* nw
3.1. Рассчитать и построить зависимость тока I от сопротивления натру ки RH в цепи (рис. 1я).
а)
Рис. I
Принять: I
Е = 2.4 В ~ ЭДС источника;
г= 320 Ом — внутреннее сопротивление источника; • 1
RH = 0, 10, 20. 40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560 и 5000 Ом — сопротивлени нагрузки; 1
I = Е/(г + RH) — ток в нагрузке от сопротивления нагрузки RM.
Данный график занести в соответствующий раздел отчета. Получении данные запишите в табл. I.
Лабораторная работа Ув 2
/7
3.2. Для той же цепи рассчитать и построить следующие зависимости:
UM = IRlt = f(RH) — падения напряжения на нагрузке от сопротивления нагрузки RH;
Рист= El = f(RH) — мощность источника от сопротивления нагрузки RH;
Р, = 12г = f(RH) — мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки RH;
Р(1 = I2RH = f(RH) — мощность, выделяемая на нагрузке от сопротивления нагрузки Rl(;
r| = 100%(Рц/Ри) = f(RH) — коэффициент полезного действия (КПД) цепи от сопротивления нагрузки RH. ' „ ’
Данные графики занести в соответствующие разделы отчета. Полученные данные записать в табл. 1.
Таблица I
— - — — По предварительному расчету ' ' 11 . 1 • Получено экспериментально
Я, Ом мА Uh. В Риг. В’ Р„ Вт Рн Вт п.% 1 мА Он В Р^.Вт Р/. Вт Рн. Вт чЛ
0
10 *
20
40
80
32С
1280
2560
5000
3.3. Для цепи (рис. 16) с линейным источником переменного тока управляемым переменным напряжением (ИНУТ) рассчитать амплитуду напряжения Um на нагрузке, если управляющее сопротивление у = 3 Ом. управляющий ток i(t) = 2sin(2nft), f = 2 кГц, для двух значений сопротивлений нагрузки RH 100 Ом и 200 Ом.
Полученные данные записать в табл. 2.
Таблица 2
По предварительному расчету ЭВМ |
Ом у. 0м и. .в и.. В
100 3 2
200 3 - - 1 ।
16
l.tUtUl первОЛ, иписинис яиииритирнмл puvvfri ни U1U,
4 Порядок выполнения работы
Будем считать, что ЭДС Е и внутреннее сопротивление источника г (рис. 1а) являются постоянными величинами. В этом случае внешняя характеристика источника (рис. 2) будет выражаться уравнением прямой линии
UH(I) = E-rl.
Режим, при котором ток равен нулю 1 = 0, называется режимом холостого хода, в этом случае UH = Ux = Е. Физически это равносильно отключению нагрузки (Rtl = ®).
Режим, при котором напряжение равно нулю UH = 0, называется режимом короткого замыкания (RH = 0). В этом случаи ток достигает своего максимального значения I = !к = Е/г.
Если положить внутреннее сопротивление источника равным нулю г = 0, то нагрузочная характеристика не будет зависеть от тока UH = Е (рис. 3). В этом случае источник называется идеальным.
Рис. 3
Из этого можно сделать следующий вывод. В реальном источнике, для которого выполняется неравенство г « RH, приближенно из схемы можно исключить г, тогда этот источник по своим свойствам будет приближаться к идеальному источнику ЭДС.
Исследуем с помощью ЭВМ характеристики источника постоянного напряжения.
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
C:\MC8DEMO\mc8demo.exe
или
ПУСК\Все программы\М|сго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
Лабораторная работа 2
19
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 4) собрать схему для исследования источника ЭДС (рис. 1).
Рис. 4
4.2 Сборка схемы
4.2.1 Ввод источника постоянной ЭДС
Ввести источник постоянной ЭДС (Battery) Е = 2,4 В (V= 2.4).
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выберите Battery (рис. 5).
П Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version • [C \MC8DEMO\data\circuit2_cir] Comxne’t
V.1nd0*5 CV7XE AnaffX MXH
JPraiutNes •
K-vtog Ltxary
DgftJPnmtF/es
DqWUbcary
Anmaocr
Fnd Component Gri*SNft*F
1 Battery
2 Resistor
3 Gourd
4 sre Source
5 Vtrtage Source
6 Ah*
7ШХС0Г
Passrve Components * b ф 3 E % rcove Devices * [ ~
Wavefcrm Sauces | Battery
Ftncoori Sources Lapace Sources ZTransVn Sources Deperden: Sources Macros
Sutxkts Connectors
Sp-ci Purple
► VJ jy? S-LTl?
* Cirrert Source
► Sne Source
► PUseSoroe
» JSource
► 1 user Source
* i ft<ed vubg
► Starcase
► Frese Trar^e
* HTC7
Mi vis Pius
Рис. 5
20
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Рис. 6
Курсор примет форму графического изображения батареи напряжения. Поместите его на рабочее окно, так как показано на рис. 6.
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно Battery. Введите 2.4 в окне Value, в окне Show установите галочку' (рис. 7).
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени (рис. 8).
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите
кнопку ОК (рис. 7).
Рис. 7
Plot
ХЮ ООО
в ОСЮ
4000
3 QPO
• • • • • •
• • • • • * « «
волоо
вс ;<ю
то* «у
Рис. 8
Лабораторная работа М 2
21
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 9).
Установите землю снизу от источника VI (рис. 10).
О Micro-Cap 8 10 0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\data\circult2.cir]
Рс.'ЕЯИД component
kvrxbws Opocns Anaiysc Dwr мс<Н Мер
□ aS й у
.teary
OjM Pnmeves OjcJLtxary Artmaoxi import
And Competent arUShrt-F
lAmp
2 Sre Scuce 3Hesetor
1| 4lrrtxter
| SSun
6 Ground
7F ч
— 8 Jo-ated Mete'
9 Batter у
Pawve Cor-perverts ActK* Deuces waveform Sources Ftnctxn Sources Laplace Sources Z Transform Scutes Dependent Soirees МЭСГО5
Subckts
CorrkKtuCS
SMPS
Special Purpcse *
Ground
Jumper
ImperZ
Xi~«13gl
FnA
Рис. 9
1 J Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation
Д EH £Qt cempxer.t ^0°°^
V.1
2.4 1
Рис. 10
4.2.3 Ввод внутреннего сопротивления источника
Ввести резистор Ri = г = 320 Ом,
Откроите меню Component\Analog PrimitivcsXPassive Components и выберите команду резистор Resistor (рис. И).
лаоораторная paoonta jw г
(3 Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C AMC8DEMOXdaia\circuit2.cir J
Compcr^it
Агнес FnrruO’ves
Fk Ed:
Wndows OpDxis ArJ>-3s Desg- Mede Help*
— _. ^CC utrary
T ! Digital Primitives
Outi Ltrary An*aocn
_L Frc Component CfrbSHft+F
Active Devices Waveform Sucre® Fjxxt Sources Lapiace Sources Z transform Sxrces
Px^ve Ccmpcrent» • ’ Resister
2.4
1 Resistor 2^ocnd
3 Battery
4 sre Source
5 vcooe Source
6 AM
7 Inductor
Macros
Subots
Connectors
SNPS
Speca Purpose
N-Fort
Inductor
Dede
Tre
D45
Transformer
К
Zener
Minus Plus
Рис. 11
Рис. 12
Курсор примет
ills
рму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите
его на рабочее окно, возле источника и щелкните левой кнопкой мыши. Поя-
виться окно Resistor (рис. 12).
В окне Value введите значение сопротивления 320 (320 Ом), нажмите кнопку ОК.
Для поворота резистора используйте кнопку Rotate (рис. 13).
Лабораторная работа А? 2
23
uitZ.cir]
Help
Рис. 13
4.2.4 Ввод сопротивления нагрузки
Ввести резистор R2 = RH.
Откроите меню Component\Analog Primitives\Passise Components и выберите команду резистор Resistor (рис. 11).
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите его на рабочее окно, возле элемента земля и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Resistor (рис. 14).
Рис. 14
24
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
В окне Value введите переменную времени Т (t), нажмите кнопку ОК.
R1 320
Рис. 15
В окне редактора появится следующее изображение (рис. 15).
4.2.5 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Дтя этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку мыши, «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 16).
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L2_1.CIR (File\Open...) (рис. 17).
О Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8
He Edt Component Endows Optfcns AnJ^as
2) Gr В И < • b R* P x |
|wre ^coe (Ctrl+W)
vi -L
v T 320
2.4 1-------
R2
Рис. 16
В Micro-Cap В. 1.1.0 Evaluation Version - (C:\MC8DEMO\DATA2\L2_1.cir]
Eg 3е Component WrWws Spxrs уф
о >• н w a a_- - * ог ex* ।~ -к -к > ® -»• «I s tr 5rais fv*Tl\S’Pl a — — G ♦« Э <* rtf !A|6l <31®
Лабораторная работа №2
Исследование на ЭВМ характеристик источников постоянного напряжения
(Analysis \ Тransient..A Run)
Источник
Рис. 17
Лабораторная работа № 2
25
4.3 Исследование характеристик источника
4.3.1 Построение зависимости тока от сопротивления нагрузки
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Получите зависимость тока от сопротивления нагрузки I(R2). Для этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 18).
Лабораторная работа №2 Исследование на ЭВМ харак (Analysis \ Transient..A Run )
DynamcDC... АХ* 4
Dynamic AC.. АХ* 5
SensKMty... АХ*5
Transfer Function... AX*7
► Harp-
Рис. 18
Distortion...
Probe Trarscnt..
Probe AC
Probe DC...
лх*э
СИНАХ* 1
Ctrl* AX* 2
Ctrl* AX* 3
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графика так, как показано на рис. 19.
Рис. 19
I
Time Range *5k-> — интервал (0...5 кОм).
Maximum Time Step «1» максимальный шаг (1 Ом).
Р номер окна «1», в котором будет построен график тока.
X Expression -R(R2)» — аргументы функции тока.
Y Expression *1(R2)» — имя функции тока.
X Range «5к» — интервал отображения аргумента по оси X.
Y Range «8т* — интервал отображения функции по оси Y. Запустите построение, нажав кнопку Run.
26
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
На экране появятся графики зависимости тока от сопротивления нагруз-1
ки I(R2) (рис. 20). I
Рис. 20
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину тока источника (J) и величину тока при сопротивлении нагрузки равным внутреннему' сопротивлению источника. I
Замечание Если кривые не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно Нажмите вновь кнопку Run.
Для точного определения величины тока нажмите на клавиатуре одновре-
менно клавиши <Shift+Ctr+X>. В появившейся
рме Go То X введите вели
чину сопротивления, например, 320 (рис. 21).
Рис. 2!
Лабораторная работа № 2
Нажмите клавишу Left и затем Close. На графике должны появиться координаты запрашиваемой токи (рис. 22).
Полученные данные величин тока занесите в табл. I.
4.3.2 Построение зависимости напряжения от сопротивления нагрузки
Получите зависимость падения напряжения на нагрузке от сопротивления нагрузки V(R2). Для этого нажмите клавишу F9. Введите в окне Y Expression «V(R2)» — имя функции напряжения, в окне Y Range — Auto (рис. 23).
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину, к которой асимптотически стремится напряжение, и вели-
Рис. 23
28 Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
чину напряжения при сопротивлении нагрузки равной внутреннему сопротивлению источника. J
Аналогично предыдущему пункту, полученные данные величин напряжения занесите в табл. I. I
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L2_2.CIR (File\Open...). 1
4.3.3 Построение зависимости мощности источника от сопротивления нагрузки
Получите зависимость мощности отдаваемой источником (РИСТ=Е*1) от сопротивления нагрузки. I
Для этого нажмите клавишу F9. 1
Введите в окне Y Expression «V(V1)*I(R2)« — имя функции мощности источника, в окне Y Range — Auto (рис. 24). I
Рис. 24
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике точку максимальной мощности и величину мощности при сопротивлении нагрузки равной внутреннему сопротивлению источника. '1
Полученные данные величин мощности занесите в табл. I.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L2_3.C1R (File\Open...).
4.3.4 Построение зависимости мощности выделяемой на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки
Получите зависимость мощности, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника (Рг = 1*1*г), от сопротивления нагрузки.
Для этого нажмите клавишу F9. *
Введите в окне Y Expression <-I(R2)*I(R2)*R(Rl)» — имя функции мощности, в окне Y Range — Auto (рис. 25).
Запустите построение, нажав кнопку Run.
лииораторнаи pauoma jV° Z
29
Рис. 25
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике точку максимальной мощности и величину мощности при сопротивлении нагрузки равной внутреннему сопротивлению источника.
Полученные данные величин мощности занесите в табл. 1.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L24.CIR (File\Open...).
4.3.5 Построение зависимости мощности выделяемой на нагрузке от сопротивления нагрузки
Получите зависимость мощности, выделяемой на нагрузке (Рн = I*I*RK), от сопротивления нагрузки.
Для этого нажмите клавишу F9.
Введите в окне Y Expression «I(R2)*1(R2)*R(R2)» — имя функции мощности. в окне Y Range — Auto (рис. 26).
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике точку максимальной мощности.
Полученные данные величин мощности занесите в табл. 1.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L25.CIR (File\Open...).
Рис. 26
30
Глава первая. Описание лабораторных работ по О1Ц
4.3.6 Построение зависимости КПД цепи от сопротивления нагрузки
Получите зависимость КПД цепи (г| = 100*РН/РИСТ) от сопротивления нагрузки.
Для этого нажмите клавишу F9. 1
Введите в окне Y Expression H00*I(R2)*I(R2)*R(R2)/(V(Vl)*I(R2))» -имя функции КПД, в окне Y Range — Auto (рис. 27).
Рис. 27
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину', к которой асимптотически стремится КПД, и величину КПД при сопротивлении нагрузки равной внутреннему сопротивлению источника.
Полученные данные величин КПД занесите в табл. 1. I
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L2_6.CIR (File\Open...). J
4.4 Исследование характеристик ИНУТ
4.4.1 Построение схемы с ИНУТ
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. С помощью мышки выделите все элементы и удалите их (Del). |
Собрать новую схему с линейным зависимым источником переменного напряжения ИНУТ (рис. 16).
4.4.2 Ввод зависимого источника ИНУТ
Ввести зависимый источник ИНУТ (Н1) с управляющим сопротивлением у = 3 Ом.
Лабораторная работа № 2
31
Откройте меню Component\Analog Primitives\Dependent Sources и выберите VofI (Рис- 28)‘
(-3 Micro-Cap B.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\data\circuit2.cir]
Component
Analog Pnmftves
Windows Opttone Analysis Design Model Нф
Analog Utrarv D^taRimoes D*gta Utz ary Anmaocr
^assr^e Components AoeDevces waveform Sa-rces nxxOon ScLrces
And Component Ctr1-Shrt*F
Z Transform Sources
exlent ixr ces
1 Cur'ent Source
2 vott
3 She Soiree
4 toft
5 Ground
6 Ressler 7Боисе
8 Battery
Matros
Suockts Ccmectors
Special Purpose
*'H>crr
iofl fofr
Vof!
EVOFV F10F1 QOFV HVOFI
9 voltage S-xrce OATH
Р1» is. LxxiPkK Output
Рис. 28
Курсор примет форму графического изображения И НУТ. Поместите его на рабочее окно так, как показано на рис. 29.
Не Fat Qcmpcnert Qpoons
1 Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version -
Рис. 29
H1
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно Unear VofI constant dependent source. Введите величину управляющего сопротивления 3 (у = 3 Ом) в окне Value (рис. 30).
Заметим, что графическое изображение данного источника будет отличаться от приведенного на рис. 29, если заранее не привести изображение элементов к ГОСТам.
32
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Рис. 30
4.4.3 Ввод источника управляющего тока
Ввести источник управляющего синусоидального тока (II) с амплитудой Im = 2 А (А = 2) и частотой f = 2 кГц (F = 2k). I
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выберите
Current Source (рис. 31). I
О Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMOXdata\clrcuit2 cir]
He Ed:
Component
Analog Pnmeves
Wndo^s Op tore Analysts Design Mccel Hefr
Arak-j Jxar/ Doc* FT mC.es □•jK^borary Artmaftzn
Waveform Sources
Fnd Component Ctrl *Snft*F
1 Current Sxrce
2V0rt
3 Sne Source
4lo(V
5 Ground
6 Resistor
7!ScLrce
0 Battery
Functxn Sources Lattice Sources Z Transform Sources Dependent Sources Macros
Subdcts
Connecters
Speed Purpose 'J-Fcrt
Passve Components 1 t -ч-Actrv-e Devices » L
C-rrert Source
Bat^ry
Pufce Source iSoirce Jser Source
Rxed Anac<;
Star case
3 Phase Triange
D Q H
9 Vdtage Source C AM
Рис. 31
лаоораторная раоота л® /
JJ
Курсор примет форму графического изображения источника. Поместите сго на рабочее окно так, как показано на рис. 32. ' *
О Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Vе
tte tit сот.ропегх ;
HI
Рис. 32
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно Current Source. Щелкните на закладке Sin Введите амплитуду и частоту управляющего тока А = 2. F = 2k. Остальные величины установите равными О (рис. 33).
Рис. 33
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появится окно Plot с синусоидальной зависимостью упраапяю-Щего тока от времени (рис. 34). г.
2 "iaw *>< 4
1.1UOU исртл- b'H.UUHMt ^/Mvnzrri IIV 1ЛЛМ
Рис. 34
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку О (рис. 33).
4.4.4 Ввод сопротивления нагрузки
Ввести резистор Rl = RH = 100 Ом.
Откройте меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду резистор Resistor (рис. 11).
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Помест его на рабочее окно, возле ИНУТ и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Resistor (рис. 35).
В окне Value введите величину сопротивления нагрузки 100, нажм кнопку ОК.
4.4.5 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите зем. Ground.
Установите два элемента земля, так как это показано на рис. 36.
4.4.6 Ввод проводников Ш В М >
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кноп ввода ортогональных проводников Wire Mode, и удерживая левую кно мыши, «прочертите* соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 37).
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процессаi
(http://frisk.newmail.ru/) файл L2_7.CIR (File\Open...) (рис. 38).
лииириширнии ['uuuniu jvx £
35
ResiitonResistor . { |X
Рис. 35
H1
Рис. 36
- 1 £ ~ + -!е-П(3 XFtf1!®
Рис. 37
-?б
l ^ава первая. описание лаииратщтыл риишп ни кущ
Лабораторная работа №2 (Часть 7)
Исследован ио на ЭВМ характеристик источников напряжения (Analysis \ ТгапиепС.Л Run)
Kt) ИНУТ (Vofl)
Valery Frisk Ver 1.0 Нагрузка hit pi/tfri sk.newmail.ru/
ин(1)
Рис. 38
4.5 Построение осциллограмм тока в цепи с ИНУТ
4.5.1 Построение осциллограмм напряжения источника и управляющего тока
Убедитесь, что введены все элементы правильно. И
Получите зависимость напряжения на нагрузке от времени uH(t) (V(R1)) управляющего тока i(t) (1(11)). Для этого в меню Analysis выберите комац Transient... . Я
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте п раметры построения требуемого графика так, как показано на рис. 39. I
Time Range «1т» — интервал времени (0...1 мс). I
Maximum Time Step «1» максимальный шаг интегрирования (1). 1
Р номер окна «1», в котором будет построен график тока и напряжения X Expression «t» — аргументы функции. 1
¥ Expression «V(R1)* и *1(11)» — имена функций.
X Range «1т» — интервал отображения аргумента по оси X. Л
Y Range «Auto» — интервал отображения функции по оси Y. I
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Рис. 39
Лабораторная работа №2 37
""
На экране появятся два графика в одной системе координат. Занесите их в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графиках величины амплитуд напряжения ИНУТ и управляющего тока.
Полученные данные величин амплитуд занесите в таблицу 2.
Если графики не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run. ‘ ‘
Повторите этот эксперимент с другой величиной сопротивления нагрузки r| = 200 Ом. Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Измените величину сопротивления R1 на 200. Для этого щелкните два раза на цифре ЮО и введите 200. Повторите анализ. Получите два графика. Полученные данные занесите в таблицу 2.
Сделайте вывод о влиянии сопротивления нагрузки на амплитуду тока ИНУТ. 4 Р
Повторите этот эксперимент с другой величиной амплитуды управляющего напряжения Un, = 3 В (А = 3). Сделайте вывод о влиянии амплитуды управляющего напряжения на амплитуду' напряжения ИНУТ.
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить графики и данные с графиками и данными, полученными в предварительном расчете. Сделать выводы.
6 Вопросы для самопроверки
1. Какой источник называется источником ЭДС. Приведите примеры независимых и зависимых источников.
2. Режимы работы источника ЭДС.
3. Чему равно падение напряжения на нагрузке UH при R(l = г?
4. Чему равна мощность выделяемая на внутреннем сопротивлении источника Рг при RH = г?
5. Чему равен КПД при RH = г?
7 Содержание отчета
Отчет оформляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman 14, Полуторный интервал. г
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий материал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента; гРафики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них.
8 Литература
1 Фриск В. В. Основы теории цепей. М.: РадиоСофт, 2002. 288 с.
2 . Бакалов В. П.. Дмитриков В. Ф.. Крук Б. И. Основы теории цепей. М.: НаДио и связь, 2003. 592 с.
Лабораторная работа № 3
Исследование на ЭВМ характеристик источников тока
1 Цель работы 1
С помощью программы Micro-Cap получить внешние характеристики независимого источника тока. Познакомиться с зависимыми источниками. I
2 Задание для самостоятельной подготовки I
Изучить основные положения теории цепей об источниках стр. 16—20, 81—83 [11 и стр. 18—24 [2]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки. I
3 Предварительный расчет I
3.1. Рассчитать и построить зависимость тока I от сопротивления нагрузки RH в цепи независимого источника постоянного тока (рис. 1д). 1
а) б)
Рис. 1
Принять:
J = 7,5 мА — ток источника постоянного тока; I
г= 320 Ом — внутреннее сопротивление источника постоянного тока; I
RH = 0, 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560 и 5000 Ом - сопротивление нагрузки. I
I = J/( I + RH/r) = f(RH) — ток в нагрузке от сопротивления нагрузки Rrt. I
Данный график занести в соответствующий раздел отчета. Полученные данные записать в таблицу 1. -1
лаоораторная pauoma jxs j
39
3.2. Для той же цепи рассчитать и построить следующие зависимости:
UH = IRH = f(RH) — падения напряжения на нагрузке от сопротивления нагрУзкИ Ки’
р = JUH = f(R,|) — мощность источника от сопротивления нагрузки RH;
р = UH2/r = f(RH) — мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки RH;
рн = ]2RH = f(RH) — мощность, выделяемая на нагрузке от сопротивления нагрузки RH;
г] = 100 %(Рц/Ри) = f(RH) — коэффициент полезного действия (КПД) иепи от сопротивления нагрузки RH;
Данные графики занести в соответствующие разделы отчета. Полученные данные записать в таблицу 1.
Таблица /
По предварительному расчету Получено экспериментально
Ни. Ом I, мА Uh, В Рист. Вт Р„ Вт Рн. Вт и. % 1. мА Uh, В Рист. Вт Рг, Вт Рн. Вт Г]. %
0
10
20
40
80
320
-.280
2560
5000
3.3. Для цепи (рис. 16) с линейным источником переменного тока управляемым переменным напряжением (ИТУН). рассчитать амплитуду тока Jm, если крутизна управления S = 3 A/В, управляющее напряжение u(t) = ~ 2sin(2nft), f = 2 кГц, для двух значений сопротивлений нагрузки RH Ю0 Ом и 200 Ом.
Полученные данные записать в таблицу 2.
Таблица 2
По предварительному расчету ЭВМ
Rrt. Ом S.A/B Um-В Jm, А Лп.А
100 3 2
200 3 2
40
Глава первая. Описание лабораторных работ по ШЦ
4 Порядок выполнения работы
Будем считать, что ток источника J и внутреннее сопротивление источни ка г (рис. 1а) являются постоянными величинами. В этом случае внешняя ха рактсристика источника тока (рис. 2) будет выражаться уравнением прямо! линии
I(L-h) = j_£h
Режим, при котором ток равен нулю (I = 0), называется режимом хода стого хода, в этом случае U„ = Ux = Jr. Физически это равносильно отключи нию нагрузки (R1( = »).
Режим, при котором напряжение равно нулю (Ъ’н = 0) называется режи мом короткого замыкания (RH = 0). В этом случае ток достигает своего макси мального значения I = IK = J. Т
Если положить внутреннее сопротивление источника тока равным беска нечность (г = а=), то нагрузочная характеристика не будет зависеть от напр! жения на нагрузке I = J (рис. 3). В этом случае источник тока называется ид альным.
0 006»
асаи
ин, В
Рис. 3
Из этого можно сделать следующий вывод. В реальном источнике, которого выполняется неравенство г » Rtl, приближенно из схемы можно ио ключить г, тогда этот источник по своим свойствам будет приближаться к идеальному источнику тока. Г
Исследуем с помощью ЭВМ характеристики источника постоянного тока.
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
C:\MC8DEMO\nic8demo.exe
или
ПУСК\Все программы\Мкго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
Чабораторная работа Л? 3
41
Рис. 4
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 4) собрать схему для исследования источника тока (рис. I).
4.2 Сборка схемы источника постоянного тока
Соберем схему с независимым источником постоянного тока (рис. I).
4.2.1 Ввод источника постоянного тока
Ввести источник постоянного тока (ISource) J = 7,5 мА (I = 7.5m).
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выберите ISource (рис. 5).
П Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MCBOCMOV3ata\c1rcurt2.cir]
Cj~ipcrert
tMrdows Cpttcre AnJyss Омрг; ЧхИ
'□ tf Ы H
Г?- т n.
Anaiz^Utrarv *
Ogrtd Pnr.itN-* ►
PasTwe Сс.т<ху>тС5 •
AttMc Devices •
Soirees •
- • «|sn*
Г К — Battery
Dgtal Ut< ary Ari-iabsn
Frc Corr-poner t
1 Боггсе
2 Resexor
3 Ground
-Batter/
5 Sne Source
6 voltage Source 7AM
8 )rd_>:tcr
»
C&I-5WUF
F'_rcbcn Sources
L зрАэсе Sources
ZTransform Sources Opendart Sources Macros
Suc->.3
Ccmecxrs
SHS
Speca Purpose
N-Port
»
»
Votage Source Current Source Sne Source
ISource
• j foedAntfog »i Starcase
• 3 Pnase ’• .r»>
• : мет
Рис. 5
42
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
cuitZ.cir]
□ Q IcFIS ~ VI*
Rotate |
Курсор примет форму графического изображен к источника тока. Поместите его на рабочее окно та; как показано на рис. 6. I
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой кл; вишей мыши. Появиться окно Constant current sourc Введите 7.5m в окне Value, в окне Show установите г; лочку (рис. 7). I
Убедитесь, что источник правильно работа! Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Р] с зависимостью тока источника от времени (рис. 8).
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8
Лабораторная работа № 3
43
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку ОК (рис. 7). . .
Замечание. Для поворота источника используйте кнопку Rotate (рис. 6).
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 9).
£3 Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\data\circuit2.cir]
Component Analog Primitives
Windows Options Analysis Deagn Meed Нф
Fie Edt
Analog Lixary
Digital Primitives
Passive Comoonen-
Active Devices Waveform Sources
►
►
Ogtal Lixary
Animation
Frri Component Ctr1+Shfo*F
Function Sources ►
Laplace Sources ►
Z Transform Sources >
Dependent Sources ►
1 Resister
2 Ground
3 iSource
4 Battery
5 Sre Source
6 votaoe Source
7 AY
Macros
Sutxckts
Ccmectors
►| Ground
ne
Special Purpose
: N-Pcrt
Jumper?
Jumdagl
9 Inductor
Pi nA
Ч-
Рис. 9
Установите землю снизу от источника II (рис. 10).
И , 7.5m
Рис. Ю
4.2.3 Ввод внутреннего сопротивления источника
Ввести резистор R1 = г = 320 Ом.
Откройте меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду Resistor (рис. 11).
44
Глава первая. Описание лабораторных работ по О1Ц
0 Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version • [C:\MCBDEMO\data\circuit2 cir]
Fie Edt WnfcWS OpjCTS AnatySS Vcdd Hep
Anabg Ltrary ► >
Oprtal Primitives >;
Di^td Ltxary >
Animation *
And Component Ctrt+Shft+F
Ancbg PnmUves________ * Passive Components * Resistor ’
1 Resistor
2 Crowd
3 Багсе
Active Devices Waveform Soirees =u>:t>zn Soirees _-=pl>:e Soirees Z Transform Soirees Dependent Soirees vac'os Sjockts Ccmectors
” Inductor
► Diode
► Tjne
* D45
► Transformer
► к
► Zener
► ~ '
4 Dalery
5 Srie Source
6 Voltage Source
SVPS »
Special Pupose »
N-Fort »
7 MA
В Inductee
Minus Plus
Рис. 11
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите его на рабочее окно, возле источника и щелкните левой кнопкой мыши. Поя-
вится окно Resistor (рис. 12).
Рис. 12
В окне Value введите значение сопротивления 320 Ом (320), нажмиг
КНОПКу OK. ’
В окне редактора появится следующее изображение (рис. 13).
.!аоораторная работа № 3
45
11 '
7.5m
Рис. 13
4.2.4 Ввод сопротивления нагрузки
Ввести резистор R2 = RH.
Откройте меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду Resistor (рис. 11).
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите его на рабочее окно, возле элемента земля и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Resistor (рис. 14).
В окне Value введите переменную времени t (Т), нажмите кнопку ОК.
В окне редактора появится следующее изображение (рис. 15).
Рис. 14
Рис. 15
46
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
4.2.5 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кноп ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кноп мыши, «прочертите», соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 16). 1
П Micro-Cap B.1.1.0 Evaluation Version * [C:\MC8
Fte Edt Component Wrdow* op’xns апэМ,с
|\MreHxte (CT*W]|
11
7.5m
Рис. 16
В случае возникновении проблем загрузите с сайга поддержки учебной процесса (http://frisk.ncwmail.ru/) файл L3_1.C1R (File\Open...) (рис. 17). Я
П Micro-Cap 8 1.10 Evaluation Varsion • (C \MCBDEMO\DATA2M_J_1 С1Я)
g] EH tot £ompccent Spticns £e»jn 14»* ЫР
D а е 9 й (i <- • > г* р х *•
<5 30^
|Г~ТЧ\«3-р 1 W -12 — -□ X'tf --г И
Лабораторная работа №3
Исследование на ЭВМ характеристик источника постоянного тока
(Analysis \ Translent.A Run )
I < Valery Frisk Var 1.0
—► Нагрузка http ./rfrisk л ewmail.ru/
П>7 Uh
^tJR2 |
ZL R2= 0 ... 5000 Ом
Источник
Рис. 17
4.3 Исследование характеристик источника постоянного тока
4.3.1 Построение зависимости тока от сопротивления нагрузки
Убедитесь, что введены все элементы правильно. 11
Получите зависимость тока от сопротивления нагрузки I(R2). Для этого э меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 18).
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого гпасЬика так. как показано на рис. 19.
Лабораторная работа № 3
47
jEg ЕJt Ccmponert WTrfo-s Ooocns
ГЗ Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version * [С \MC8DEMO\DATA2UJ_1.OR]
AnaMt
•rarrwt1
Harp
Лабораторная работа №3
Исследование на ЭВМ харак
( Analysis \ Transient..A Run )
II 7.5m
R2
Источник
R1 320
Рис. 18
DC.. A.t*3
DrwntCDC. AA*4
Dynync AC... Aft* 5
SensiKtv.M
T'ansfet FtnctJcr... Alt*7
De ter Don At*e
Probe Tr апяегс.
Probe AC... an*A*t*2
Probe X... си*ж*з
R2= 0 ... 5000 Ом
Рис. 19
Time Range «5к» — интервал (0...5 кОм).
Maximum Time Step «1» максимальный шаг интегрирования (! Ом).
Р номер окна «1», в котором будет построен график тока.
X Expression »R(R2)» — аргументы функции тока.
Y Expression <I(R2)» — имя функции тока.
X Range «5к» — интервал отображения аргумента по оси X.
Y Range «8т» — интервал отображения функции по оси Y.
Запустите построение, нажав кнопку Run.
На экране появиться графики зависимости тока от сопротивления нагрузки I(R2) (рис. 20).
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на Тофике величину тока короткого замыкания и величину тока при сопротивлении нагрузки равным внутреннему сопротивлению источника.
Замечание. Если кривые не появились. то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
48
Глава первая. Описание лабораторных раоот по и/ц
Рис. 20
Для точного определения величины тока нажмите на клавиатуре одновр менно клавиши <Shift+Ctr+X>. В появившейся форме Go То X введите вел чину сопротивления, например, 0 (рис. 21). |
Нажмите клавишу I>eft и затем Close. На графике появится координа запрашиваемой токи (рис. 22). _ |
Полученные данные величин тока занесите в таблицу1 I. 1
Рис. 21
Рис. 22
лаоораторнам рииота jv j
4У
4.3.2 Построение зависимости напряжения от сопротивления нагрузки
Получите зависимость падения напряжения на нагрузке от сопротивления Гпузки V(R2). Дзя этого нажмите клавишу F9. Введите в окне Y Expression V(R2)> — имя Функции напряжения, в окне Y Range — Auto (рис. 23).
Рис. 23
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину, к которой асимптотически стремится напряжение, и величину напряжения при сопротивлении нагрузки равной внутреннему сопротивлению источника.
Полученные данные величин напряжения занесите в таблицу 1, аналогично предыдущему пункту.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L32.CIR (File\Open...).
4.3.3 Построение зависимости мощности источника от сопротивления нагрузки
Получите зависимость мощности отдаваемой источником (Рист = JUH) от сопротивления нагрузки.
Для этого нажмите клавишу F9.
Введите в окне Y Expression *I(I1)*V(R2)» — имя функции мощности источника, в окне Y Range — Auto (рис. 24).
Рис. 24
50
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте и графике величину, к которой асимптотически стремиться мощность источни ка, и величину мощности при сопротивлении нагрузки равной внутреннем
сопротивлению источника.
Полученные данные величин мощности занесите в таблицу 1.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебног
процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L3_3.CIR (File\Open...).
4.3.4 Построение зависимости мощности выделяемой на внутреннем сопротивлении источника от сопротивления нагрузки I
Получите зависимость мощности выделяемой на внутреннем сопротивле»
нии источника (Pr = UH2/r) от сопротивления нагрузки. * I
Для этого нажмите клавишу F9. I
Введите в окне Y Expression «V(R2)*V(R2)/R(R1)* — имя функции мощ-
ности, в окне Y Range — Auto (рис. 25). I
Рис. 25
Запустите построение, нажав кнопку Run. I
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину, к которой асимптотически стремиться данная мощность, и величину мощности при сопротивлении нагрузки равной внутреннему сопротивлению источника. Л
Полученные данные величин мощности занесите в таблицу I. |
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L3_4.CIR (File\Open...). I
4.3.5 Построение зависимости мощности выделяемой на нагрузке от сопротивления нагрузки
Получите зависимость мощности, выделяемой на нагрузке (Рн = I*I*RH)i от сопротивления нагрузки.
Для этого нажмите клавишу F9. •
Введите в окне Y Expression «I(R2)*I(R2)*R(R2)« имя функции мощности в окне Y Range — Auto (рис. 26).
Лабораторная работа № 3
51
Рис. 26
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике точку максимальной мощности.
Напученные данные величин мощности занесите в таблицу 1.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L3_5.CIR (File\Open...),
4.3.6 Построение зависимости КПД цепи от сопротивления нагрузки
Получите зависимость КПД цепи (т) = КХРРц/Рцст) от сопротивления на-|рузки.
Для этого нажмите клавишу F9.
Введите в окне Y Expression «100*I(R2)*l(R2)*R(R2)/(I(Il)*V(R2))» — имя функции КПД, в окне Y Range — 100 (рис. 27).
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину КПД при сопротивлении нагрузки равным внутреннему сопротивлению источника.
Патученные данные величин КПД занесите в таблицу 1.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного Процесса (http://frisk.newrnail.ru/) файл L3_6.C!R (File\Open...).
Рис. 27
52
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
4.4 Исследование характеристик ИТУН
4.4.1 Построение схемы с ИТУН
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. С пом, щью мышки выделите все элементы и удалите их (Del).
Собрать новую схему с линейным зависимым источником переменно тока ИТУН (рис. 15).
4.4.2 Ввод зависимого источника ИТУН
Ввести зависимый источник ИТУН (G1) с крутизной управления S = ЗА/В.
Откройте меню Component\Analog Primitives\Dependcnt Sources и выберите lofV (рис. 28). *
(3 Micro-Cap B l. 1.0 Evaluation Version • [C:\MCeDEM0Xdata\circuit1.cir]
Component
Р G
AnJoa Pnrrcves
Wftfows Cpoons Anatysb Оеэдп нф
An^ogLtxary
Prmttr.es
DgWUxary
Anmaxn
J
Fnd Component Ctr*5nft*F L
Passive Components Active Deuces Waveform Sources
Ftnctwn Sources
Laplace Sources Z Transform Sources
Dependent Sotron
1 JofV
2 Sne Source
3 Ground
4 Resister
5 ISotrce
6 Battery
7 Vctage Source
BAM
Macros Subckts Connectors
SMPS
Special Purpose N-Port
loft
vofV
EVOFV FIOF!
GICFV
WCF1
S indue ter
►
►
►
Рис. 28
Курсор примет форму графического изображения ИТУН. Поместите его на рабочее окно так, как показано на рис. 29. I
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появиться окно Linear lofV constant dependent source. Введите величину управляющей крутизны 3 (S = ЗА/В) в окне Value (рис. 30). |
Нажмите кнопку ОК.
Заметим, что графическое изображение данного источника будет отличаться от приведенного на рис. 29, если заранее не привести изображение элементов к ГОСТам. |
Для поворота и отражения можно использовать кнопки Rotate и Flip Y.
Лабораторная работа PTs J
53
G1
Рис. 29
Рис. 30
4.4.3 Ввод источника управляющее напряжения
Ввести источник управляющего синусоидального напряжения (VI) с амплитудой Um = 2 В (А = 2) и частотой f = 2 кГц (F = 2k).
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выберите Sine Source (рис. 31).
Курсор примет форму графического изображения источника. Поместите Сг° на рабочее окно так, как показано на рис. 32.
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появится °кно Sine Source. Введите 1 в окне Value, А = 2, F = 2k (рис. 33).
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на Кнопке Plot. Появиться окно Plot с синусоидальной зависимостью управляющего напряжения от времени (рис. 34).
54
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
о Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version • (C:\MC8DEMO\data\circult1.Cif)
СО"<рСОЕГТ
De->71 М»
□ Я й У
лгакхз РтГглп.*?
AnatogUt«Y OgU Prmijves OptJLtrarv >n~iat>:r
* I Ас!К*е Devres
V/aveform Sources
hnc Component
llof/
2Slne Sxrce
3 Grand «ResEtor
5 Source
S Baaery
7 Votoge Source
3>M
э rdxtcr
Furcbon Sources
Laplace Sources Z Transform Socrces Deperdert sources
Macros
SLDC>3
Ccrmectxs
SW5
Speoal Purpose
tv-Pcrt
ВЗ^ЕГ/
vatage Source
SneSa/ce
tSoj-e user Source Faed Analog Starcase
НТО
м
Низ
Рис. 31
G1
Рис. 32
Рис. 33
Лабораторная работа 3
55
Рис. 34
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку ОК (рис. 33).
4.4.4 Ввод сопротивления нагрузки
Ввести резистор R! = RH = 100 Ом.
Откройте меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду резистор Resistor (рис. II).
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите его на рабочее окно, в o ne ИТУН и щелкните левой кнопкой мыши. Появится окно Resistor (рис. 35).
Рис. 35
56
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
В окне Value введите величину сопротивления нагрузки 100. нажм кнопку ОК.
4.4.5 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите земли
Ground. I
Установите два элемента земля так, как это показано на рис. 36.
О1
Рис. 36
4.4.6 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кноп ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кноп мыши, «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 37). *
wreMode(CTTi*v\
Рис. 37
Лабораторная работа №3 (Часть 7)
Исследование на ЭВМ характеристик источников тока (Analysis \ Transient..A Run)
ИТУН (lofV) 1(1)
G1
Valery Frisk Ver. 1.0 http Jtfrisk.newmail.ru/ Нагрузка
R1
100
Рис. 38
JlUUUfJUIHUIHtUX pUUUHlU J
3/
p случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.ncwmail.ru/) файл L3_7.CIR (FiIe\Open...) (рис. 38).
4.5 Построение осциллограмм тока в цепи с ИТУН
4.5.1 Построение осциллограмм тока и управляющего напряжения
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Получите зависимость тока от времени i(t) = J(t) (I(R1)) и управляющего напряжения u(t) (V(l)). Для этого в меню Analysis выберите команду Transient.... . Jb
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графика так. как показано на рис. 39.
Рис. 39
Time Range «1т» — интервал времени (0...1 мс).
Maximum Time Step «1» максимальный шаг интегрирования (1).
Р номер окна «1», в котором будет построен график тока и напряжения.
X Expression <4)» — аргументы функции.
Y Expression «I(R1)» и «V(Vl)» — имена функций.
X Range «1т» — интервал отображения аргумента по оси X.
Y Range «Auto» — интервал отображения функции по оси Y.
Запустите построение, нажав кнопку Run.
На экране появятся два графика в одной системе координат. Занесите их ь соответствующий раздел отчета. Отметьте на графиках величины амплитуд тока ИТУН и управляющего напряжения.
Полученные данные величин амплитуд занесите в таблицу 2.
Ели графики не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Наймите вновь кнопку Run.
Повторите этот эксперимент с другой величиной сопротивления нагрузки =200 Ом. Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3
i/lUUW fIVJSVBC#*»
не-
ис-
ма-
14,
Измените величину сопротивления RI на 200. Для этого щелкните два раза на цифре 100 и введите 200. Повторите анализ. Получите два графика. Полученные данные занесите в таблицу 2. I
Сделайте вывод о влиянии сопротивления нагрузки на амплитуду тока
итун. Г
Повторите этот эксперимент с другой величиной амплитуды управляюще го напряжения L'm = 3 В (А = 3). Сделайте вывод о влиянии амплитуды управляющего напряжения на амплитуду тока ИТУН. 1
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить полученные графики и данные с графиками и данными, полученными в предварительном расчете. Сделать выводы. I
6 Вопросы для самопроверки
1. Какой источник называется источником тока. Приведите примеры зависимых и зависимых источников.
2. Режимы работы источника тока.
3. Чему равно падение напряжения на нагрузке UH при = г?
4. Чему равна мощность выделяемая на внутреннем сопротивлении точника Рг при Rrt = г?
5. Чему равен КПД при RH = г?
7 Содержание отчета
Отчет оформляется в формате MS Word. Шрифт Tinies New Roman полуторный интервал.
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий териал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента; графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них. ]
8 Литература
1. Фриск В. В. Основы теории цепей. М.: РадиоСофг, 2002. 288 с. 1
2. Бакалов В. П., Дмитриков В. Ф., Крук Б. И. Основы теории цепей. Мл
Радио и связь, 2003. 592 с. 1
Лабораторная работа № 4
Распределение потенциала вдоль неразветвленной электрической цепи
1 Цель работы
С помощью программы Micro-Cap проследить изменение потенциала вдоль замкнутого контура. Познакомиться с применением виртуальных вольтметров и амперметров. Убедиться с помощью машинного эксперимента в справедливости закона Ома.
2 Задание для самостоятельной подготовки
Изучить основные положения теории цепей о электрическом потенциале и законе Ома стр. 9—12, 36—38 [1] и стр. 25—26 [2]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки.
3 Предварительный расчет
3.1. Рассчитать, используя закон Ома для замкнутой цепи, значение постоянного тока I в контуре и напряжение на всех его элементах (рис. 1).
Принять:
Е= 12 В — ЭДС источника;
Ri = 2 Ом — сопротивление первого резистора;
R, = 4 Ом — сопротивление второго резистора;
Vo, V|, V2 и V3 — потенциалы в точках 0, 1, 2 и 3.
I — ток в контуре.
Полученные данные занести в таблицу 1.
3.2. Для той же цепи рассчитать, используя обобщенный закон Ома, значения потенциалов в точках «I», «2» и «3». Положить потенциал в точке *0» Равным нулю. Полученные данные занести в таблицу 1. Построить в масштабе график распределения потенциала вдоль контура. По оси
отложить сопротивление участков в той по-
следовательности, в которой они включены в vo V1 у 'тепь, а по оси «У» потенциалы точек «0», «I»,
*2» и «3» (рис. 2). Рис- 1
60
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Рис. 2
Данный график занести в соответствующий раздел отчета. Таблица I
Получено элспер* ментально
I. А.
Ut= в.
Um = В.
и«» в
По предварительному расчету
1= А.
Ue* 3.
Ия13 в.
I1»3 в
4 Порядок выполнения работы 1
В программе Micro-Cap возможно измерение тока методом непосредственной оценки цифровым виртуальным амперметром. Амперметр включается последовательно в разрыв цепи (рис. 3).
Рис. з
Ток в этой цепи можно найти с помощью закона Ома для замкнутой цепи.
I
Е
Ri + R,
riww^/wri<v^/ri<4zi 2/UV4Z'VBM w •- -r
VI
Заметим, что при переходе через источник потенциал может как повышаться, так и понижаться. Пусть направление ЭДС источника совпадает с выбранным направлением тока. Направление напряжения на источнике всегда противоположно направлению ЭДС и оно не совпадает с направлением тока (рис. 4о).
Рис. 4
В этом случаи можно записать, что
U=E = V,-V0,
V, = Е + Vo.
Если принять Vo = 0, то потенциал V| возрастет на величину Е.
Повернем источник на 180° (рис. 46). Теперь направление ЭДС источника не будет совпадать с выбранным направлением тока. Направление напряжения будет совпадать с направлением тока. В этом случае
U=E=V0-V„
V|=-E + Vo.
Если принять Vo = 0, то потенциал V, уменьшиться на величину Е.
Остальные потенциалы рассчитываются с помошью обобщенного закона Ома для участка ветви (рис. 4г).
v,-v2 + £E ZR ’
v2=v,-i£r + £e,
где I — ток;
V ! — потенциал узла 1;
V 2 — потенциал узла 2;
У Е — алгебраическая сумма всех ЭДС данного участка ветви (Е берется 00 знаком «плюс», если направление ЭДС совпадает с направлением тока. Иначе со знаком «минус»);
У R — арифметическая сумма всех сопротивлений данного участка ветви.
Дня измерения потенциалов используем виртуальный цифровой вольт-МетР- При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить Напряжение (рис. 5). Переключатель S позволяет подключиться к точки «1» Или к точки «2». Потенциал точки «О» Vo = 0 В, поэтому показания вольтметра будут численно равны потенциалам в этих точках.
Рис. 5
Измерим с помощью амперметра ток и с помощью вольтметра потенциа лы в заданной неразветвленной цепи (рис. 1). I
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
C:\MC8DEMO\mc8demo.exe
или
ПУСК\Все программы\УПсго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 6) собр схему для измерения тока (рис. 3). ,1
Рис. 6
4.2 Сборка схемы для измерения тока
Собрать схему с источником постоянного напряжения, двумя резисторами и амперметром (рис. 3). ।
4.2.1 Ввод источника постоянного напряжения
Ввести источник VI постоянного напряжения (Battery) Е = 12 В (12V).
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waverorm Sources и выберите Battery (рис. 7).
П Micro-Cap 6.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\data\ckcuitZ.cir]
Compcntrt
wntfows Сросте st>>a Нф
Arufc.jutr.rv Pnrrevcs
D9‘JLt»<y
ArvnjOon
Fms№ Components ’
Dexes •
Sources
ЕзПйгу
Fnd Component
IResetor
2 Battery
3 vvnated SPCT Swtch
4 Ground
5 Currert Source
6 ISource
7Vofl
0 5ne Source
9 io*
0 voltox Source
-JYXnSCUZC .jptoze Sources Z Transform Sources Dependent Sources Macros SJtckts Ccnnec'^rs SMPS Speca Purpose к-Рогт
Сигел: Sour ce Sne Source Pttoe Source ISource User So_rce Ffred Anafcj Star case 3 PtHse HTC?
Urus P US
CM*Shft*F
Рис. 7
Курсор примет 4
рму графического изображения батареи. Поместите его
на рабочее окно.
Зафиксируйте это положение, щелкнув лезой клавишей мыши. Появиться окно Battery. Введите 12V в окне Value, в окне Show' установите галочку (рис. 8).
Рис. 8
04
j.iaea первая, описание лабораторных раОот по ОТЦ
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кноп Plot. Появится окно Plot с зависимостью тока источника от времени (рис. 9).
Рис. 9
Закройте это окно, щелкнув на кнопке (рис. 8).
Закрыть. Нажмите кнопку ОК
(Rotate
Рис. 10
Поверните источника используйте кнопку Rotate (рис. 10).
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите земл
Ground (рис. 11). ’ - - - ‘1
Установите землю слева от источника VI и разверните ее (рис. 12).
Лабораторная работа У? 4
65
p^lcr0-Cap В. 1 1 0 Evaluation Version - [CAMCBOEMO\data\circuH2 cir) ‘ Сслрэлег*
wncbws OpOcrs *гаг<и Оздп Mode нер
Analog Jbrtrf
OgtJLfxary АлтлОсо
С8НЭЛ**
Pass** Components
Actve
wavefccrr Sources
Кгк&эт Sarce L<b:e Source Z “rjnsfcrra Sxf :e
iBaary
2 Reuter
- Anmjted SPCT S-ClT abound
5 Current Source
6 Source
7 Vcfl
8 9^ Source
9)0*
0 vdtage Source
Macros
SLbcxts
Curve: гг?
SM>S
Spcoa Purpose
N^Crt
Grord
Jumper?
Juma»; 1
ЯгА
V1 12B
Рис. 11
Рис. 12
4.2.3 Ввод резисторов
Ввести резистор R1 = 2 Ом и R2 = 4 Ом.
Откроите меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду резистор Resistor (рис. 13).
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите его на рабочее окно, возле источника и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Resistor (рис. 14).
( J Micro-Cap 8 1 1.0 Evaluation Version • [C:\MC0DEMO\data\clrcuH2.cir]
Сспрспег*
ИЛгdjwl CtAcr* A."iT.-S£ EJvran*’ DC Deatn
Anaogutrry OgtaPmcNe OjcJutrary •лтаосп Import
Сгс Соспропегс
C01*9t^*F ------------1
ХАмде Meter
Scrxnd e Battery 5 Armated SPCT Swtcn b Cxrrert Source 7 rsxrce
В »cC
9 dw Source Ok*
AcaveOevces wr^ebm Sources Function Source l арйее Sources Z Transform Source >pendv< Sources чаз« soots Conrecton !>FS Sceoa>rrcse N4*ort
iTOKCjr □юое Иле D45 T’wnbmer К Zerw
а
О
m«kj< Рка
Рис. 13
оо
luiUOU ч/iihvmmhv л j/wi/vni »<<z л.
Рис. 14
Рис. 15
В окне Value введите значение сопротивления первого резистора 2 (2 Ом), нажмите кнопку ОК.
Аналогично введите второй резистор R2 = 4 О*
В окне редактора появиться следующее изобр;
женис (рис. 15). I
4.2.4 Ввод амперметра
Ввести цифровой амперметр.
Откроите меню Component\Animation и выберите команду Animated Meter (рис. 16).
Cl Micro-Cap B. 1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\data\clrcullZ.clr]
Г^ЕЗЕЗ Component
vvrofcws OpQors AMytiS ЭуПЗЛГ 0 DC Desxyi Model H
□ & Q н
Алэзд ^nm «Oves
Analog-teary
Ctotei Primitives
♦ <5
□ □ \ tfiEj
oxal Jtcary
Агигпзосл
Import I
Fnj Component OrkShT.+F
Anmated Anafog Bar
Anmated Anatog LED Animated DC Ktotcc Anmated Dgtai LED
1 Anmated Meter
2 4esEtor
3Crxnd
4 Battery
5 Animated SPOT Swteh
6 C jrrent Score*»
7lSarce
8 Von
9 Sne So лее
OlofV
Anmated Dgtal Switch
Jpmatodtfig
Anmated Meter
Anmated Seven Segrr ent Anmated SPOT Switch Anmated SPSTSwed-Anmated Traffc
--------------------
Рис. 16
О/
Курсор примет форму прибора (прямоугольник с двумя выводами). Поместите его на рабочее окно, выше цепочки элементов и щелкните левой кнопкой мыШИ. Появиться окно Animated Digital/Analog Volt/Amp Meter (рис. 17).
Рис. 17
Нажмите кнопку ОК.
На приборе щелкните два раза мышкой на надписях Digital и Amps.
Рис. 18
В окне редактора появиться следующее изображение цифрового амперметра (рис. 18).
4.2.5 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку мыши, «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов. Потенциальный вход амперметра, обозначенный знаком «+» соединить с полюсом R2. Нижний вывод амперметра соединить с элементом земля (рис. 19). з*
68
Iлава первая, иписание лаиоритирныл раишп пи uin
! FieEdt Component Windows Cpxrs Viatyse Design v«d h
О Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - (C:\MC8DEMO\DATA2\L4
Wre (Ctn+W)
Meterl
V1
12V
R1 R2
2 4
Рис. 19
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учс процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L41.CIR (Fi!e\Open...) (рис. 20).
Лабораторная работа №4 (Часть 1) Распределение потенциала вдоль не разветвленной электрической цепи
( Analysis \Dynamic DC )
Valery Frisk Ver. 1.0 http://Trisk.newrnail.ru/
Рис. 20
Лабораторная работа № 4
69
4.3 Измерение тока с помощью амперметра
4.3.1 Измерение тока
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Измерить ток I в данной цепи. Для этого в меню Analysis выберите команду Dynamic DC... (рис. 21).
О Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8I 3EAA0\D ATA2XL4_1. CIR ]
Fie Ed: Component Windows Optens I Arayas Design Mode Heb
ТЕСТ
At+1
At* 2
At*3
Transent..
AC..
ГС--------
1
Лабораторная работа №4 (Част< Распределение потенциала вд« неразветвленной электрически
( Analysis \Dynainic DC )
Pyi tame AC —— Alt* 5
SerstMy... Alt*6
Transfe' Fjncoon... Alt* 7
Dister tjcr... Alt*8
iai
j Prooe Transient.. Cte + At*!
Probe AC... Ctrl* Alt* 2
I Probe DC... Ctrl* Alt* 3
Рис. 21
На экране амперметра появиться значение тока в амперах. Убедитесь, что оно совпадает со значением, вычисленным в предварительном расчете. Занесите его в таблицу 1.
4.4 Сборка схемы для измерения потенциалов
Собрать схему с источником постоянного напряжения, двумя резисторами, переключателем и вольтметром (рис. 5).
4.4.1 Ввод вольтметра
Отсоедините амперметр. Перетащите его в вниз схемы. На приборе щелкните два раза мышкой на надписи Volts. Амперметр превратится в вольтметр (рис. 22).
Meterl
Рис. 22
70
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
4.4.2 Ввод переключателя
Ввести переключатель S.
Откроите меню Component\Animation и выберите команду Animated
Switch (рис. 23).
□ Micro-Cap 8.1. t.O Evaluation Version - (C \MCBCeMOWATA2U4_2 OR] Ccm:.x*r
Aincfc*? opoom АпаРж Mcdd ж
D И 9
AMc.; р-гпгту«
AnA>jLtrary
MWltrw,
1 AnrMeJSKT Sw-Ub
2*nrMedMet>r
4C/ound
SBanry
6 Qrv<t Source
7 Багсе
8 VOfl
9 Sne Source oio^
Xlg
Атт *r*oq t-r A-VnMfd АСЭО0 led A-wn !t*d ОС **xor A-im^trdOyJLEO Animated D»yJ Swtcn ATmajMCPSTSwrr.
Anmy
0
ru'
Рис. 23
Animated Ttaflk jght
Поместите его рядом с выводами вольтметра. Для переключения контактов достаточно два раза щелкнуть на нем. Щелкните на надписи Switch и замените ее на S.
MpHOWn <4ыэхэ (•.* Ц
4.4.3 Ввод проводников I
. . ,f hr:.* • *ч>х?<н -т лг g po/u
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку мыши, «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 24). I
Рис. 24
Лабораторная раоота Jis «
4.5 Измерение потенциалов с помощью вольтметра
4.5.1 Измерение потенциалов
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Измерить потенциал в точке «I» (переключатель S в нижнем положении). и потенциал точке «2» (переключатель S в верхнем положении). Для этого убедитесь, что в меню Analysis выбрана команда Dynamic DC... (рис. 21).
Полученные данные занесите в таблицу 1.
Постройте распределение потенциала вдоль цепи. По этому графику определите напряжение на элементах цепи UE, и и занесите их в таблицу I.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L4_1.C1R (File\Open...) (рис. 25).
(1 Micro-Cap 8 1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\DATA2\L4_1 OR)
Я Oftox inaHt Qeez» be** d*
с crяоаa ® > ««*♦-*•->- - ♦ < <>»* ♦ з go
•> -* T•l’s 4? ’ - I W — ' . 1 r - 4 • r- " •. ••
Valery Frisk ver 1.0 htlpJArisk newmail.ru/
Лабораторная работа №4 (Часть 2) Распределение потенциала вдоль не раза отв ла ином электрическом цепи
(Analysis Оупвтк DC )
' .Majn/Ta«i sXir'o/
ПППП
Рис. 25
4.6 Измерение тока и потенциалов при изменении полярности батареи
Повторить эксперименты по измерению тока с помощью амперметра и потенциалов с помощью вольтметра при обратном включении батареи VI (поворот на 180е Flip Y). Остальные элементы и выбранное напрааление тока оставить неизменными.
Полученные данные занесите в таблицу 2. Постройте распределение потенциала вдоль цепи. Подтвердите полученные данные расчетом.
72
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить полученные графики и данные с графиками и данными, полу ченными в предварительном расчете. Сделать выводы.
6 Вопросы для самопроверки
1. Покажите способы включения вольтметра и амперметра для измерения Приведите примеры. 1
2. Что называется электрическим потенциалом? 1
3. Сформулируйте обобщенный закон Ома для постоянного тока. I
4. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи. I
5. Что называется падением и подъемом напряжения? I
7 Содержание отчета
Отчет оформляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman 14 полуторный интервал. I
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий ма териал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложе ны в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них.
8 Литература
1. Фриск В. В. Основы теории цепей. М.: РадиоСофт. 2002. 288 с.
2. Атабеков Г. И. Основы теории цепей. М.: Энергия, 1969. 424 с.
Лабораторная работа № 5
Исследование входных частотных характеристик в RC-цепи
1 Цель работы
С помощью программы Micro-Cap исследовать входные аплитудно-час-тотные (АЧХ) и фазочастотныс (ФЧХ) характеристики RC-пепи. Сравнить АЧХ и ФЧХ, полученные с помощью программы Micro-Cap, с аналогичными характеристиками, полученными расчетным путем.
2 Задание для самостоятельной подготовки
Изучить основные положения ОТЦ о частотных характеристиках электрических цепей стр. 68—75, 84—86 [I] и стр. II2— ИЗ [2]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки.
3 Предварительный расчет
3.1. Рассчитать граничную частоту frp для RC-цспи (рис. I), если R,-= 100 0м,аС1 = 219нФ.
Zbx
Рис. 1
3.2. Рассчитать для RC-цепи (рис. 1) отношение f/frP, значения емкостного сопротивления Хс, модули входного сопротивления ZBX, аргумента входного сопротивления <pz, модули тока в цепи I, падения напряжения на резисторе LR и модули напряжения на конденсаторе Uc, на частотах f = 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 кГц, Е = 0,9 В. Результаты расчетов занести в таблицу I.
3.3. Построить в масштабе графики ZBX (f), <pz(0, XC(D, 1(0, CR(0 и Uc(0 в Диапазоне частот f e {2... 14] кГц.
Полученные графики занести в соответствующий раздел отчета.
74
Глава первая. Описание лаоораторных раоот по ОТЦ
Таблица 1
По предварительному расчету
Получено экспериментально
f, кГц Игр Xc, 0м Zex. Dm vz(f). град. 1. мА Up, 3 Uc, В Xc, 0 м Zgx. 0м <рг«). град. 1, мА Ur. В Jc
4
6
8
10
_J2
14
3.4. Рассчитать для нагруженной RC-цепи (рис. 26) частоту fm при кот
рой фаза фт входного сопротивления имеет минимум. Результаты расчетов нести в таблицу 2.
Таблица 2
4 Порядок выполнения работы I
Комплексное входное сопротивление находиться косвенным методом, путем деления комплексного входного напряжение Цвх на комплексный входной тока I. С помощью программы Micro-Cap рассчитывается модуль и фаза входного сопротивления I
ZBX = = Z(o)e"*<e) = Z(2pf)ekz(2'\ I
где UBX — комплексное входное напряжение; [Я
i = — комплексный входной ток; 1
^вх I
Ur = R[ — комплексное напряжение на резисторе; I
j = 4-\ — мнимая единица;
ш = 2nf — угловая частота; I
f — частота; '
ZBX | = Z(2nf) — модуль комплексного входного сопротивления (АЧХ);
arg(ZBX) = <pz(2nf) — аргумент (фаза) комплексного входного сопротивления (ФЧХ). 1
С другой стороны, входное сопротивление это сопротивление со стороны входных зажимов I
_jarc|gl'Xc'| Ч
Zbx =Re(ZBX) + Im(ZBX)=Rl -jXc =v'Rf + X£ - e™11'-* =
Лабораторная работа 5
75
RefZnJ = Ri — резистивное входное сопротивление (рано сопротивлению где v
резистора KJ,
1 1т(2вх) = —Хс — реактивное входное сопротивление;
v =_-------реактивное сопротивление конденсатора С,;
с wC|
f =-----1-----граничная частота RC-цепи.
ГР 2t:R,C|
Для нагруженной RC-цепи
m 2nR2C1^|1+R|’
где R2 ~ 320 Ом — сопротивление нагрузки.
Исследуем входные частотные характеристики RC-цепи (рис. 1).
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
С:\М C8DEM O\mc8demo .ехе
или
ПУСК\Все программы\Мкго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 2) собрать схему для измерения частотных характеристик (рис. 1).
Рис. 2
/ V
/ЛШШ ncj/пил. VZflMUM/lMC jiuwpuuwpnoiA j/UUUf" пи 1ЛЖХД
4.2 Сборка RC-цепи для измерения входного сопротивления
Собрать схему с источником синусоидального напряжения, резисто конденсатором (рис. I).
4.2.1 Ввод источника синусоидального напряжения
Ввести источник VI синусоидального напряжения (Sin Source) с амплитудой V
Um = E Л = 0,9л/2= 1,27 В (А= 1.27V),
частотой
f = 2 кГц (F = 2k). * В
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выберите Sin Source (рис. 3).
П «Aicfo-Cap 8 1.1.0 Evaluation Version * [C \MC8DEMO\data\circuit2 cir)
Corpcnert MMoq-nmtk-s
vavfcws Cpt>:rs АпзЬ-ss D-sgr МхИ Hejp
PaEsve Ccmporexs Adr*e De.ces
Sauc»«
D^Jitrary
АГГЖСГ
Fnc Comoonent
CDl*Shf>F
ЧЛСГЮП Soirees .лейасе Sauces Z Transfcrrr Source
1 Peeler
2C<»*3Kc 3SneSxrce
4 Cut ent Sou cp Slndxtor
6Gr<xnd
7 AnmatetJ SPDT S wtm
8 ArimateC Meter ЭВЖМгу
0 ISouce
Мэохх
SutxKts
Connecters
SM^-S
Scectai =urpo$e
Рис. 3
Курсор примет форму графического изображения источника (круг со стрелкой). Поместите его на рабочее окно. I
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появить* ся окно Sin Source. Введите 1 в окне Value, А = 1.27, F = 2k. Остальные значения равными нулю (рис. 4). 1
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени (рис. 5).
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть (рис. 5). Нажмите кнопку
ОК (рис. 4). •
лшюритирная pa oom a jv? j
//
Рис. 4
Рис. 5
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Cofnponent\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 6).
Установите землю, снизу от источника VI (рис. 7).
4.2.3 Ввод резистора
Ввести резистор RI = 100 Ом.
Откроите меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду резистор Resistor (рис. 8).
78
Глава первая. Описание лабораторных работ по О ГЦ
П Micro-Cap 8 1.1.0 Evaluation Version - [CAMC8D£MO\dataUifCuit2 cirj COW***
и* sit
V.rdcws Opocrs Anaryss
AnJbQ PnrMN*5
AMogLfcrary
OgMPn-O/W
*rwnat>Xi
Pa^e Comporene Actnt Devices Waveform Sources Kncoon Sources Lapace Source
Fnd Gorrpcrer*
Or *Shft*F
1 Battery
2 Resistor
3 Animated SPOT Swtxh
4 Grand
5 C-rrent Source
6 Source
JVofl
BSneSaroe
9 kA
0 veftage Source
Z Transform Sources » Dependent Sources * МКГО5 ►
Subckts ►
Correctors
ShFS
SceaJ PUpCM
Grana
Jumped
Ixndagl
PinA
*4*
Рис. 6
Рис. 7
f-l Micro-Cap 8 1.1.0 Evaluation Version - [C AMC8DEMO\data\cifCult2.ck]
g FH Edt < v,ro;*: Ocoxis Anayss Dynamic DC De^pn Mode Het> _
□ e a AruMj PrtBtMB • PassM? Compcnrts » 1]
Ч ~ tT Analog Ltrary • >ptJ >!-©/« » Ас«меОемс« • Лм*:гт Sources • inductor
DgMutxarv > Krctfcri Sources 20^
Апипакл ► KAace Sources TJne
Z Transfer mSorces • D4S
Frd Component CUI* Shift- F
1 Animated Meter
2 Resista
3 Grand
Dependent Sour ces
Мэтт OS
Subckfc Correctors
SAPS
» T'arefor mer
• К
► Zener
► I" 1
►
4 BaKery
5 Animated SPOT SwC^i
Speoal Purpose *
report *
I
6 Current Source
7 Source
evofl
SSreSarca
GtofV
Vr>US ple
Рис. 8
Лабораторная работа Л° 5
79
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите на рабочее окно, возле источника и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Resistor. Введите значение сопротивления резистора 100 в окне Value (рис. 9).
Рис. 9
Нажмите кнопку ОК.
Поверните резистор используйте кнопку Rotate (рис. 10).
НФ
о:; вег Tin за х g vi* fl Rotate
И'--------
R1
Рис. 10
4.2.4 Ввод конденсатора
Ввести конденсатор Cl = 219 нФ (219п).
Откроите меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду резистор Capacitor (рис. 11).
Курсор примет
линии с двумя вывода-
рму прибора (две параллельные
ми). Поместите его на рабочее окно, правее резистора и щелкните левой Кнопкой мыши. Появиться окно Capacitor. Введите значение емкости 219п в
окне Value (рис. 12).
w
I.1UOU napttUM. UllUlUflUt riU(/UpuillUI>H(MA puutun flu 1/./Ц
l Мигo-Cap B1.I 0 Evaluation Version • (C \MC8DEMO\DATA2VL5_1 OR]
Cunocr**
»3»чги>«
ДОПИНГ
АлвпЛог.
Analog Ltr ary
Component
O1<Sh*-F
IRMMV
2С*ФООГ
3Sne Source
4 Cur-nt Source
5 router
6 Ground
Acts* Devices wavefor’’’ Sources Члсэоп Source* u<«ace Sou ces Z Transform Scutes DeperOert sauces Macros
SufoOCS Correctors
SX5 SW^P'-ГТСве rmn
• I * mve c«npcmerrs
Dode
CMS 'ransfor-^ к
Zener
T Anr atedSPCr Smcdi
8 Anmated
эашгу
o Scute
Pfo:
Рис. 1!
Рис. 12
Нажмите кнопку OK.
В окне редактора появиться следующее изображение (рис. 13).
С1
0Д19мк
Рис. 13
Лабораторная работа № 5
81
4.2.5 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и удерживая левую кнопку мыши «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 14).
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.ncwmail.ru/) файл L5_I.CIR (File\Open...) (рис. 15).
! | Micro-Cap 8 1.10 Evaluation Version - H
He 6* Corppnent Wrtfows 0c»xns , d в и £ CV *2 ? * ® x * j •*
7 -лте Mode lOri^v)]
R1
100
Лабораторная работа №5 (Часть 1)
Исследование на ЭВМ входных частотных характеристик в цепях первого порядка
( Analysis \ AC..Л Run) Valery Frisk Ver 1.0
http'J^risk navwnail.ru/
R1 100
Рис. 15
Рис. 14
4.3 Исследование частотных характеристик RC-цепи
4.3.1 Построение зависимости модуля входного сопротивления от частоты
Убедитесь, что введены все элементы правильно. *
Получите зависимость модуля входного сопротивления
I ZBx I = | JJbx/1 I (MAG(-1*V(V1)/I(V1))) от частоты. Здесь присутствует Умножение на —1, так как идущий то источнику ток не совпадает с направлением напряжения на этом источнике.
Для этого в меню Analysis выберите команду АС... (рис. 16).
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графика, так как показано на рис. 17.
Frequtncy Range «Linear», «14k, 2k» — линейный интервал частот (2—14 кГц).
Number of Points «501» количество точек (501).
Р номер окна «1» в котором будет построен график тока.
X Expression «f» — аргументы функции.
Y Expression «MAG(-1*V(V1)/1(V1))» — формула расчета модуля входного сопротивления.
X Range «14k,2k,lk» — интервал отображения аргумента по оси X и шаг (2... 14 кГц с шагом I кГц).
82
Глава первая. Описание лабораторных работ по U/Ц
0 Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version • [СЛМСВОО MO\DATA2\L5_1 CIR]
Fee Ed: Comport Wrccw? D M>fei
АК*1
Alt* 2
Dynamic DC...
D*nam< AC...
SerstMty...
Transfer Rrcoon Dctcoxi..
Лабораторная работа №5 (Част Исследование на ЭВМ входные
(Analysis \ АС..Л Run)
A.U4
Alt-*-5
Alt-6
R1
Al>6
100
С1
^cbeTtanaent..
Prob? AC...
Probe DC...
Ctn* Alt* 1
CtrkAfc-2
СП+Ак-3
=г 219п
Рис. 16
Рис. 17
Y Range «400,0» — интервал отображения функции по оси Y (0...400 Ом).
Запустите построение, нажав кнопку Run. j
На экране появиться графики зависимости модуля входного сопротивления от частоты (рис. 18). И
Замечание. Если кривая не появилась, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. На- 1 жмите вновь кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте ня графике величину модуля входного сопротивления при f = frp. В
Для точного определения величины модуля входного сопротивления о* частоты на клавиатуре нажмите одновременно клавиши <Shift+Ctr+X>-В появившейся форме Go То X введите величину частоты, например. 2k (2 кГц) (рис. 19). 1 ‘ 4 fl
Лабораторная работа Л'г 5
83
Рис. 18
Рис. 19
Нажмите клавишу Left и затем Close. На графике появиться координаты запрашиваемой токи (рис. 20).
Полученные данные величин модуля входного сопротивления от частоты занесите в таблицу 1. *
Рис. 20
84
Глава первая. Описание лабораторных работ по О1Ц
4.3.2 Построение зависимости фазы входного сопротивления от частоты
Получите зависимость фазы входного сопротивления от частоты 1 агв(Хвх) = argdWD (<*<’ 1* V(V’1)/I(V1»). I
На клавиатуре нажмите клавишу F9. На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графика так, как показано на рис. 21. |
Рис. 21
Запустите построение, нажав кнопку Run. I
На экране появиться графики зависимости модуля фазы входного сопротивления от частоты (рис. 22).
Рис. 22
Лабораторная работа № 5
85
Замечание. Если кривая не появилась, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину фазы входного сопротивления при f = tf-p-
Для точного определения величины фаз входного сопротивления от частоты на клавиатуре нажмите одновременно клавиши <Shift+Ctr+X>. В появившейся форме Go То X введите величину частоты (рис. 19). Полученные данные величин фаз занесите в таблицу I.
4.3.3 Построение зависимости тока от частоты
Получите зависимость модуля тока от частоты
HI (MAG(I(R1))).
На клавиатуре нажмите клавишу F9. На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графика, так как показано на рис. 23.
Рис. 23
Запустите построение, нажав кнопку Run.
На экране появиться графики зависимости модуля тока от частоты.
Замечание. Если кривая не появилась, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на ’Фафике величину тока при f = fpp.
Для точного определения величины модулей тока от частоты на клавиатуре нажмите одновременно клавиши <Shift+Ctr+X>. В появившейся форме Go X введите величину частоты (рис. 19). Полученные данные величин тока ^несите в таблицу 1.
$6 Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
4.3.4 Построение зависимости напряжения на резисторе от частоты
Получите зависимость модуля напряжения на резисторе от частоты I
Шк I (MAG(V(R1))). Л
На клавиатуре нажмите клавишу F9. На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором залайте параметры построения требуемого графика так. как показано на рис. 24.
Рис. 24
Запустите построение, нажав кнопку Run. 1
На экране появиться графики зависимости модуля напряжения от час» ТОТЫ.
Замечание. Если кривая не появилась, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
ИЯ
на
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте графике величину тока при f = fn>.
Для точного определения величины модулей напряжения от частоты клавиатуре нажмите одновременно клавиши <Shift+Ctr+X>. В появившейся форме Go То X введите величину частоты (рис. 19). Полученные данные величин тока занесите в таблицу 1.
«MJ
4.3.5 Построение зависимости реактивного сопротивления от частоты
Получите зависимость реактивного сопротивления конденсатора от част Хс = —Im(ZBX) (Im(V(Vl)/I(Vl))).
На клавиатуре нажмите клавишу F9. На экране появиться окно Trans Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графи так, как показано на рис. 25.
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Лабораторная работа № 5
Рис. 2S
На экране появиться график зависимости реактивного сопротивления конденсатора от частоты. > *’з Q 4|Ь1ЭД Ш х >
Замечание Если кривая не появилась, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину тока при f = Ггр-
Для точного определения величины реактивного сопротивления от частоты на клавиатуре нажмите одновременно клавиши <Shift+Ctr+X>. В появив-
шейся
рмс Go То X введите величину частоты (рис. 19). Полученные дан
ные величин реактивного сопротивления конденсатора занесите в таблицу 1.
4.5 Исследование частотных характеристик нагруженной RC-цепи
4.5.1 Построению зависимости модуля входного сопротивления от частоты
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Параллельно конденсатору включите сопротивление нагрузке R2 = 320 Ом (рис. 26).
R1 100
Рис. 26
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Получите зависимость модуля входного сопротивления нагруженной *С-цепи от частоты
II = I LUx/11 (MAG(-l*V(VltfI(Vl))).
Глава первая. Описание лабораторных работ по О1Ц
Для этого в меню Analysis выберите команду АС... (рис. 16).
На экране появиться окно Transient .Analysis Limits, в котором задайте па.
>аметры построения требуемого графика. |
f Запустите построение, нажав кнопку Run. I
На экране появиться график зависимости модуля комплексного входного юпротивления нагруженной RC-цепи от частоты.
Замечание Если кривая не появилась, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. На-
жмите вновь кнопку Run. В
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте ца данном графике асимптоту при увеличении частоты.
4.5.2 Построение зависимости фазы входного I
сопротивления от частоты Л
Получите зависимость фазы входного сопротивления нагруженной RC-цепи от частоты
arg(ZBx) = atidUx/l) (ph(-l*V(Vl)/I(Vl))).
* , -Дм**—*
На клавиатуре нажмите клавишу F9. На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графика.
Запустите построение, нажав кнопку Run
На экране появиться график зависимости фазы входного сопротивления нагруженной RC-цепи от частоты.
Замечание. Если кривая не появилась, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Отметьте на графике величину минимального значения фазы входного сопротивления.
Полученные данные величин фт и fm занесите в таблицу 2. I
5 Обработка результатов машинного эксперимента *
' Сравнить полученные графики и данные с графиками и данными, поЛУ' ченными в предварительном расчете. Сделать выводы по каждому пункту исследования.
6 Вопросы для самопроверки
1. Какая частота называется граничной для RC-цепи?
2. Какая частота называется граничной для RL-непи?
3. Каково значение модуля входного сопротивления RC-иепи на гранив ной частоте?
Лабораторная работа 5
89
4. Каково значение аргумента входного сопротивления RC-цепи на г™ личной частоте? цс,,и на П»-
5. К чему стремиться модуль входного сопротивления нагруженной на пе зистор RC-нспи при увеличении частоты?
6. Чему равен модуль входного сопротивления нагруженной на резистоп
RC-иепи при частоте равной нулю? рс-жстор
7 Содержание отчета
Отчет
рмляется в
Зга
рмате MS Word. Шрифт Times New Roman 14,
полуторный интервал.
8 Литература
1. Фриск В. В. Основы теории цепей. М.: РадиоСофт. 2002. 288 с.
2. Бакалов В. П., Дмитриков В. Ф., Крук Б. И. Основы теории цепей. М.: Радио и связь, 2003. 592 с.
г
Лабораторная работа № 6
Исследование на ЭВМ цепей с обратной связью с системной точки зрения
1 Цель работы * Л
VI I • г | I I I» f • • Г | • 3 , I | *1 | , J | SgffiEMfflj
С помощью машинного эксперимента получить зависимости выходим напряжения на выходе системы с обратной связью при различных параметра! системы обратной связи.
вцутвпэтмП. 8
2 Задание для самостоятельной подготовки I
Изучить основные положения теории цепей с обратной связью сф 183—184 [1], стр. 421—427 [2], стр. 685—694 |3] и стр. 356—363 [4]. Вы пол* нить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки. Познакомиться с возможностью схемотехнического моделирования стр. 107-117 [5], [6).
3 Предварительный расчет
3.1. Получить формулы и по ним построить на одном графике кривые и* пряжения на входе и выходе системы без обратной связи (БОС) рис. I, если на вход подается синусоидальный сигнал с амплитудой Um = 1 В, частотой f = 1 МГц. Коэффициент усиления основной системы принять равным K(jw) = 5. Определить величину амплитуды выходного напряжения Um2 и э* нести ее в таблицу 6.1.
3.2. Получить формулы и по ним построить на одном графике кривые н*' пряжения на входе и выходе системы с обратной связью (СОС) (рис. 2). есл* на вход подается синусоидальный сигнал с амплитудой Um = 1 В, частоте!
Рис. 1
Рис. 2
Лабораторная работа У? 6
91
f3S । МГн, коэффициент усиления основной системы принять равным K(jw) = 5 коэффициент обратной связи равным 3(j<>) = -0,01. Определить величину амплитуды выходного напряжения и общий коэффициент передачи напряжения H(jo>). Повторить данный расчет для K(j<o) = 100. Занести поденные величины в таблицу 6.1.
3.3- Определить величину амплитуды выходного напряжения и общий коэффициент передачи напряжения H(jw) системы СОС (рис. 2) при условии Ке[К0ш)Р0ш)1 >:> 1 <1 *Р|» I). На вход системы подается синусоидальный сигнал с амплитудой Um = 1 В, частотой f = 1 МГц. Принять коэффициент обратной связи равным p(je) = -0,01, Kljtn) принимает значения 1000, 2000 и 3000. Занести полученные величины в таблицу 6.2.
4 Порядок выполнения работы
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
C:\MC8DEMO\mc8demo.exe
или
ПУСК\Все программы\Мк:го-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 3) собрать исследуемую систему без обратной связи (рис. I).
Рис. 3
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
4.2 Сборка схемы
4.2.1 Ввод источника синусоидального напряжения
Ввести источник синусоидального напряжения с амплитудой и, = | ц (А = I) и рабочей частотой f = I МГц (F = 1MEG).
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выбери^ Sine Source (рис. 4).
0 Micro-Cap 8 1.0.0 Evaluation Vtriioc - [C AMC8DEMO\da1a\cifcuit1.ck] ссгтихгепс Е5ЯЯИ5ЯВЯЗЕ?ЯЕЗЗЕЗВ
g Re 6*
Aratoq Pr moves
Lt< ary Digrai Pnmrtjves Dig tai Ut< аг у Artmaxn
Frri Component Cir*9Mt*F
Passive Ccmpcrents * ac we De-.xes •
Waveform Sources.
Functor) Sources
Laplace Sources Z Transform Soirees
« 0. [вс * ос ajp g]
Battery
voltage Soiree
Sre 5*xc»
»
1 Resister
2 ‘nAxtor
3Sum
4 Amp SS-cuxl
6 Srw Soiree
7F
8 Animated Meter
9 Battery
• a—
нюл
sutats
Correctors
5?f$
Special Purpose
AH\»t
tSoirce
User Soiree FcxedAnawg Star case 3 Ptuje fnan^e
Рис. 4
Курсор примет <t
пГ»
рму графического изображения источника. Поместите
его на рабочее окно так, как показано на рис. 5.
V1(4)
I-
Рис. 5
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно Sine Source. Выберите значение рабочей частоты 1MHZ, установите га* ломку у Show (рис. 6). •
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой в* кнопке Plot. Появится окно с зависимостью напряжения источника от времени (рис. 7). I
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку’ ОК (рис. 6)
Лабораторная работа № 6
93
Рис. 6
Рис. 7
4.2.2 Ввод усилителя основной подсистемы
Откройте меню ComponentXAnalog Primitives\Macros и выберите усилитель 'W (рис. 8).
Курсор примет форму усилителя (треугольника). Поместите его на рабо-]ее окно, возле источника и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно ^plifier Macro (рис. 9).
В окне Value введите значение коэффициента усиления К = 5, установите ^очку у Show и нажмите кнопку ОК.
В результате на рабочем столе будут находиться два элемента так, как погано на рис. 10.
94
Iдана первая, uniteание лаоорапюрных раиот по илц
О Micro-Cap 5 100 Evaluation Verdon • [C:\MCSDEM0Vda1a\clrcull2.cir] Сспчм enc I
A'nd:*' OW>5 «rjvsfi Devp -Kt?
HxPrmcves
AMoCLtrary
Dgta PnmCves C«gMLtrary Anmaxn
FndGynponent C^*ShA»F
pmsm Gxr;<nerts K!veDevc« waveiorm >хгсст FinctKr Soirees Laptoce Scores Z“ransfari» Source*
DxpenoerKScoces *
PV/M_T FWMJ/T
ZSrvSarce 3Re«CX 4 VvlXtOr 5 Sum 6 Ground 7F
6 Arrmatjcd Meier SBaeery
AU
Resonant
5crmtt
Corparatcr Deey Diac
Snjtter
Sparkgap
Dk
Surr
Sun3
Trtoc
Рис. 8
Source Ciotal karary toceted e: C V»*C8DEM0\ <Ь'агл4МР1ААС
Рис. 9
Х1
1MHZ
Рис. 10
Лабораторная работа № 6
95
4.2.3 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 11).
П Micro-Cap 0.10.0 Evaluation Version • [C:\MCflDEM0\d3la\clrcuit2.cir]
FndCcmponent CtrkShfbF
^oPn^rCves
A-k=*:«; Lbar,-DgURntfMs DgAJLtrary A'amston Import
1 Amp'
2 Sue Scarce 3R.€5Etar 4mxur
5 Sum
6Grxrd
7F
0 Annaced Mete" ЭВЮгу
A'rxfcws ООХГЦ Araryss Desgn М»з -*5t>
Passv^e Gxrpcnerts Ac>« Devices Wa/efcrm 3o_rc« Fjr<^:r Sxrces Lapiace Saxces Z Pans'crm Sccrces Defender tSo/ces Macros
Gxn-ctrs
sws
Sfcee-ai Purose
Junpe-2
Irn-zidgl
PirA
РИС. 11
Установите землю снизу от источника (рис. 12).
И Micro-Cap 8.1.0 0 Evaluation Version -
Ве &Ж Gcmzom: &n6cw$ Qptons
ц>. tt.
X1
.5
1MHZ
Рис. 12
4.2.4 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку ч,ьппи, «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 13).
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебно-г° процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L6_1.C1R (File\Open...) (рис. 14).
96
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
CJ Micro-Cap В. 1.0 0 Evaluation Version
jEJ Fie Е€Г Comocnent УЛххлл Opocn
2 а? Н Я a 11 л С. е х м
Рис. 14
4.3 Анализ системы без обратной связи при К = 5 I
Убедитесь, что введены все элементы правильно. Пронумеруйте узлы, нажмите кнопку' нумерации узлов Node Numbers (рис. 15). Я
Получите зависимости мгновенных напряжений на входе u,(t) = V(l)l выходе u2(t) = V(2) системы без обратной связи от времени t. Для этого меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 16). Я
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором следует за дать параметры построения требуемых графиков так, как показано на рис. !'•
Time Range *4u> — интервал времени (4 мкс) Tmax|, Tmin].
Maximum Time Step «O.Olu» максимальный шаг интегрирования. 1
Р номер окна «1», в котором будет построен график.
jiutnifiuiriu^nuji puuwna jw о
97
Г)М1сго*Сар B. 1.0.0 Evaluation Version - [C\MC8DEMQ\D
4 T "L \ P 1 4? w’3 2 —+
•_ -fl 3. <S. * ~ F__________jtayje Ujmfrarsl' **
Лаборатсрая работа Ко 6 (част^)
Исследование на ЭВМ цепей с/брегмой сзязэ с систем*-
<АА1М*1Т’1М'«'<-ЛЯиМ '
1MHZ
Х1 - основная подсистема f-1 м'ц. ребо-ея -д’тто-а. Е^<а=С - :>бре’н:.й связи не’
Рис. 15
П Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version • (C:\MC8DEMO\DATA2\L6.1.cirj
Н* Bi: €о-рхет. •vrocws ЭрО:гх
Габорат орая работа Ыв 6 (часть 11 Исследившие на ЭВМ ц»пей с обратной <
IRun)
Вход
XI
Рис. 16
Рис. 17
?*“ 214
98
JjIUVU оия. J>U(ZV/7< Г41/ VZ ж ХД
X Expression *t» — аргумент функции. I
Y Expression «V(l)» и «¥(2)» — имена функций. I
X Range «4и» — интервал отображения аргумента по оси X. ]
Y Range «5,-5» — интервал отображения функции по оси Y. I
Запустите построение, нажав кнопку Run. 1
На экране появиться графики зависимости напряжения на входе V(] выходе системы без обратной связи ¥(2) (рис. 18). If
Рис. 18
Замечание. Если кривые не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графиков введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
По графику ¥(2) определите величину амплитуды выходного напряжения < занесите ее в таблицу 6.1. Графики занесите в соответствующий раздел отчета.
Таблица 6.1
Предварительный расчет Машинный эксперимент
Вид системы К н Mm2. В Urr2. В .
БОС (Uml = 1 В, f = 1 МГц. ₽ = 0) 5
100
СОС (Um1 = 1 В. f = 1 МГц. ₽ =-0,01) 5
100 •
лиииритирпим puuumu лу о
У У
4.4 Работа с графиком
Отредактируйте полученные графики, используя кнопку Т (Text Mode), бавьте названия, введите единицы измерения по осям и т. п.
^00 Для копирования этого изображение в отчет нажмите на клавиатуре одно-енН0 клавиши <Alt+Print Screen>, откройте отчет (Word) и нажмите кнопку «Вставить».
4.5 Анализ системы без обратной связи при К = 100
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Повторите машинный эксперимент для К= 100.
4.6 Анализ системы с обратной связью при К = 5
Соберите исследуемую систему с обратной связью (рис. 2). Добавьте к предыдущей схеме подсистему обратной связи (Х2) с коэффициентом передачи по напряжению P(jw) = -0,01 и сумматор напряжений (ХЗ). Дтя добавления сумматора (Sum) откройте меню Compcnent\Analog Primitives\Macros и выберите Sum (рис. 19).
П Micro-Cap 8 10 0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\DATA2\L6.2 cir] ri.ITWSB Component
C/nocws Options Anatysis Desqr Mc-oe Hdp
АгаЬз Primitives
Ла5ораго Иссгедэв
(Analysis \Ti
Analog Ltr ary
Ogital Primitives Ogftal Ltxary Animation Import
Find Component Crl+SnrfUF
V1<
1 Grand
2 Amp
3Sne Source
4 Resistor
5 Inductor
6 Sum
7F
В Animated Meta
9 Battery
Passive Сс трепет ts ► <
Actve Devices •--------—
wavetrm Sources » ... _
Function Sources * X i I
Laplace Sources »
Z Transform Sources »
Dependent Sources » рения
555 Abs AM Amp Centap
Macros
SLtxkts
Comectors
SMFS
Special Purpose
14-POTt
PinA^ PinC
Pine
Comparator
Delay
Doc
Dtf
D*gp?t
Div
F
FSK
Gyrator
MWi_Trare2
PWM_T
Relay 1 Rday2 Resonant SJ-imrtt
Srurter
Sparkgap
Sum 'пае -гюдегб ’node
P G
Рис. 19
нажав на
Удалите ненужные проводники, выделив их и
клавиатуре кноп-
Del. Произведите необходимые соединения. Выведите на экран номера уз-1'°в. нажав кнопку Node Numbers. В результате получиться схема системы с °®РатноЙ связью (рис. 20).
IVU
He Ed: Compcrert Wrdcws OoOons Anavss D*
О Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - [CAMCBDD
X3
V1
X2 -0.01
Рис. 20
X1
5
Получите зависимости мгновенных напряжений на входе ul(t) = V(l) и выходе u2(t) = V(3) системы с обратной связи от времени t. Для этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 16).
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором следует задать параметры построения требуемых графиков так, как показано на рис. 21
Рис. 21
Запустите построение, нажав кнопку Run.
На экране появиться графики зависимости напряжения на входе V(l) выходе системы с обратной связью V(3) (рис. 22).
Отредактируйте эти графики. 11
По графику V(3) определите величину амплитуды выходного напряЖе* ния и занесите ее в таблицу 6.1. Графики занесите в соответствующий Р^3 дел отчета.
Лабораторная работа
6
101
Рис. 22
4.7 Анализ системы с обратной связью при К = 100
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Повторите машинный эксперимент для К = 100 (XI). По графику' V(3) определите величину амплитуды выходного напряжения и занесите ее в таблицу 6.1. Графики занесите в соответствующий раздел отчета.
Замечание. Если график выходного сигнала не будет помещаться, то нажмите на клавиатуре кнопку F6 (автоматическое масштабирование).
В случае возникновении
проблем загрузите с сайта поддержки учебного
процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L6_3.CIR.
4.8 Анализ системы при |К р| » 1
Вернуться к системе с обратной связью (рис. 20). Повторите машинный эксперимснт для К = I000, 2000 и 3000 (XI). По графику V(3) определите величину амплитуды выходного напряжения и занесите се в таблицу 6.2. Графики занесите в соответствующий раздел отчета.
Габ.шца 6.2
Предварительный расчет I К р I»1 Машинный эксперимент
Вид системы К н U«2. В L'«2. В
с (Uml . 1 В. 1 МГц р. -0.01) 1000
2000 •
3000
1U2
Глава первая, иписание лаоораторных раоот по и/ц
5 Обработка результатов машинного эксперимента 1
Сравнить кривые напряжений с аналогичными кривыми, получений^ теоретически. Сделать выводы о величине коэффициента передачи систем^* обратной связью и без нее.
Сделать выводы о величине коэффициента передачи системы с обрати^ связью при выполнении условия | Кр | » 1. Я
6 Вопросы для самопроверки
I. Какие системы называются системами с обратной связью?
2. Выведите формулу передаточной функции напряжения системы с обратной связью в операторной форме. Я
3. Выведите формулу передаточной функции напряжения системы с об-
ратной связью в комплексной форме. Я
4. Выведите формулу передаточной функции напряжения системы с об-
ратной связью в комплексной форме при условии Re[K(jw)P(jw)] » I. 1
5. Какая величина называется глубиной обратной связи. Я
7 Содержание отчета
Отчет оформляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman 14, полуторный интервал.
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий материал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента: графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них. V
8 Литература
1. Фриск В. В. Основы теории цепей. М.: РадиоСофт, 2002. 288 с. И
2. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1983. 536 с.
3. Зернов Н. В., Карпов В. Г. Теория радиотехнических цепей. Издание 2-е. Л.: Энергия, 1972. 816 с. И
4. Бакалов В. П., Дмитриков В. Ф, Крук Б. И. Основы теории цепей. Издание 2. М.: Радио и связь, 2003. 592 с.
5. Фриск В. В. Основы теории цепей. Лабораторный практикум на персО' нальном компьютере. М.: СОЛОН-Пресс, 2002. 192 с. д
6. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP V. М.: СОЛОН, 1997, 280 с. J
Лабораторная работа № 7
Исследование S-параметров четырехполюсников
1 Цель работы
С помощью программы Micro-Cap построить зависимости S-параметров от частоты четырехполюсника с заданными S-параметрами в виде таблицы.
2 Задание для самостоятельной подготовки
Изучить основные положения теории цепей о S-параметрах стр. 232—234 [I], стр. I97—204 [2] и стр. 73—75 [3]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки.
3 Предварительный расчет
3.1. В качестве четырехполюсника выбрать высокочастотный транзистор с общим эмиттером (BFP640). Его S-параметры можно узнать из справочников (Datasheet) или скачать в виде файла из Интернета (http://www.infineon.com/).
Создать с помощью программы «Блокнот» файл Sparam.s2p со следующей таблицей S-параметров транзистора:
f S11 S21 S12 S22
ГГц Модуль Фаза Модуль Фаза Модуль Фаза Модуль Фаза
о.кю 0.8590 -8.9 25.771 171.0 0.0058 78.5 0.9911 -5.7
0.200 0.8482 -19.7 25.347 163.0 0.0110 80.6 0.9780 -11.6
0.300 0.8226 -29.4 24.409 155.5 0.0161 77.0 0.9497 -17.0
0.400 0.7886 -38.4 23.226 148.3 0.0209 72.9 0.9126 -21.9
0.500 0.7507 -46.8 21.956 141.6 0.0253 69.1 0.8711 -26.4
0.600 0.7121 -54.7 20.684 135.4 0.0293 65.7 0.8279 -30.4
0.700 0.6743 -62.2 19.446 129.7 0.0328 62.7 0.7849 -33.9
0.800 0.6380 -69.1 18.259 124.6 0.0360 60.1 0.7431 -37.0
0.900 0.6036 -75.7 17.129 120.0 0.0388 57.8 0.7032 -39.6
1.000 0.5712 -81.8 16.065 115.9 0.0413 55.9 0.6659 -41.8
1-100 0.5410 -87.5 15.073 112.3 0.0436 54.2 0.6314 -43.6
1.200 0.5133 -92.9 14.161 108.9 0.0457 52.7 0.5999 -45.2
IU4
J лава первая. </писание лаоираторных раоот по М1ц
1.300
1.400
1.500
1.600
1.700
1.800
1.900
2.000
2.200
2.400
2.600
2.800
3.000
3.500
4.000
4.500
5.000
5.500
6.000
6.500
7.000
7.500
8.000
8.500
9.000
9.500
10.000
10.500
11.000
11.500
12.000
12.500
13.000
13.500
14.000
14.500
15.000
15.500
16.000
16.500
17.000
17.500
18.000
18.500
19.000
19.500
20.000
0 4881
0.4656
0.4456
0.4281
0.4128
0.3994
0.3874
0.3765
0.3571
0.3408
0.3286
0.3209
0.3117
0.3010
0.2981
0.3047
0.3122
0.3221
0.3352
0.3505
0.3600
0.3771
0.3947
0.4125
0.4350
0.4568
0.4813
0.4991
0.5332
0.5604
0.6158
0.6507
0.6786
0.7067
0.7239
0.7513
0.7951
0.8574
0.8928
0.9130
0.9189
0.9139
0.9057
0.9091
0.9584
0.9499
0.9250
-98.0
-102.9
-107.5
-112.0
-116.3
-120.5
-124.5
-128.4
-135.9
-143 I
-150.0
-1564
-162.8
-177.2
170.5
159.0
147.8
138.0
129.3
120.7
113.0
107.0
100.1
95 0
89.2
839
78.6
74.0
70.0
65.7
61.0
54.3
49.0
43.2
38.0
34.8
30.9
25.3
18.3
12.1
6.1
1.2
-3.3
-5.2
-10.0
-16.3
-20.1
13.334
12.593
11.936
11.353
10.833
10.363
9927
9.514
8 733
8.030
7.483
7.105
6 527
5.736
5.058
4550
4 118
3.762
3.483
3.231
3.020
2.861
2.689
2.578
2.463
2.363
2.280
2.173
2.090
2.017
1.971
1.880
1.784
1.691
1.595
1.505
1.445
1.384
1.300
1.202
1.098
0.995
0.897
0.846
0.777
0.701
0.642
105.9
103.0
100.2
97.6
95.1
92.7
90.4
88.3
84.3
80.7
77.2
73.6
70.5
62.4
55.4
48.5
41.6
35.5
29.1
22.9
17.1
11.0
5.0
-0.7
-7.0
-13.0
-19.5
-26.1
-31.9
-38.0
-44.9
-52.4
-58.9
-65.3
-71.7
-77.3
-82.8
-89.0
-96.2
-102.8
-108.6
-113.1 -115.8 -117 9 -122.5 -1234 -123.2
0.0477 0.0496 0.0515 0.0533 0.0551 0.0569 0.0587 0.0605 0.0640 0.0674 0.0710 0.G747 0.0780 0.0874 0 0966 0.1058 0.1152 0.1248 0 1346 0.1441
О 1540 О 1656 0.1745 О 1868 0.1979 0 2087 0.2197 0.2251 0 2331 0.2410 02491 0.2605 0.2691 0.2760 02837 0.2747 0.2577 02466 0.2598 0.2556 0.2463 0.2413 0.2275 0.1986 0.1756 0.1753 0.1757
51.5 504
49.5
48.7
48.1
47.4
469
46.3
45.3
44.3
43.3
42.3
41.3
38.7
35.7
32.8
29.6
26.4
22.9
19.3
15.8
11.8
7.8
39
-0.8
-56
-10.9
-16.4
-20.1
-25.7
-296
-35.1
-40.7
-46.7
-54.1
-626
-68.1
-684
-72.9
-802
-85.2
-90.7
-97.3
-103.4
-100.9
-100.1
-101.2
0.5714
0 5459
0.5231
0.5028
0.4846
0.4682
0.4533
0.4395
0.4147
0.3933
0.3757
0.3616
0.3468
0.3240
0.2944
0.2757
0.2617
0.2424
0.2240
0.2064
0.1933
0.1748
0.1534
0.1395
0.1127
0.0868
0.0588
0.0322
0.0204
0.0478
0.0935 0.1343
0.1733
0.2145
0.2571
0.2856
0.3253
0.3766
0.4569
0.5203
0.5568
0.5876
0.6243
0.6147
0.6810
0.7476
0.7958
46.4 W
Г 5 I
J4 5 J
-49 3
S'). | 1
-50.7 51 4
<1.9
<28
S3 5
'42
I I
-55 6
-5X6
-6! 2 <
62 9
-65 7 «
-69 6
72.5 75 4
-78.2
-Х3.9
-S6.3 5
92 9
->.Х).7 .
106 3 -118.1 1.
-143 4
124 3
ХЗ.З '
69.8
-10.1
-13-8
-13.5 |
18.9
-23.2
Лабораторная работа У? 7
105
Сохранить данный файл в папке DATA.
3.2. Используя данные из этой таблицы, построить зависимости S2I и S,2 частоты в полярной системе координат.
4 Порядок выполнения работы
Можно показать, что при параметрах указанных на рис. I 2ц и вычисляются по следующим формулам
5.. =2$/,
5п = 2U
R1
50 Ом
Рис. 1
R2 50 Ом
На рис. 2 показана схема машинного эксперимента для вычисления S2i и §г. Данные параметры вычисляются по следующим формулам
S,, = 2U,;
£21
Sa = 2U
$ц — коэффициент отражения от входа четырехполюсника при согласованной нагрузки на выходе;
S,, — коэффициент передачи из второго плеча четырехполюсника в первое при согласованной нагрузки на входе;
S2| — коэффициент передачи из первого плеча четырехполюсника во второе при согласованной нагрузки на выходе:
8ц — коэффициент отражения от выхода четырехполюсника при согласо-взнной нагрузки на входе;
U, — комплексное напряжение на входе четырехполюсника;
Рис. 2
106
Глава первая. Описание лабораторных работ по О ГЦ
LJ, — комплексное напряжение на входе четырехполюсника;
R — сопротивление генератора;
R, — сопротивление нагрузки.
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
С:\М С8 DE М O\mc8demo.exe
или
ПУСК\Все программы Мкго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 3) собрать схему для построения и $21-паРаметР°в (рис. 1).
Рис. 3
4.2 Сборка схемы
4.2.1 Ввод источника синусоидального напряжения
Ввести источник синусоидального напряжения с амплитудой Um e 1 ’ (А = 1) и рабочей частотой f = 1 МГц (F = 1MEG). Id
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выбери’**
Sine Source (рис. 4). !J
Курсор примет форму графического изображения источника. Помести** его на рабочее окно так, как показано на рис. 5.
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. ПоявиЧ*’ ся окно Sine Source. Выберите значение рабочей частоты 1MHZ, установив галочку у Show (рис. 6). II
НХЕ
Лабораторная работа Ms 7
107
(3 Micro-Cap 6 1 0.0 Evaluation Version • (C \MC8DEM0\data\circuit1clr] i ГЖЗ согчмтиге
Срезгг KM/s Ceajn мла Her
0э'В9
ATMtoQiXrry
DgflJLtrvy Аллмооп
Fnd Component СТ-»9Л**
IfUMOr
Zbduccr
4 Anp S&ourxl eSrrSoxtt
8 AnrjteJMetw
9 Rettery
Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
108
Глава первая. Описание лабораторных работ по У1Ц
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой Л кнопке Plot. Появится окно с зависимостью напряжения источника от врещ, ни (рис. 7).
Рис. 7
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку ОК (рис. 6).
4.2.2 Ввод резисторов
Откроите меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду резистор Resistor (рис. 8).
( I Micro-Cap В 1.0 0 Evaluation Version * [С \MC8DEMD\data\circuit1 cir]
Cc<rc<nent
V.r» Cc ttns ATi^v» Osm f'VXH
Ой?ин
P-nufbvs
Passr^eC
Resstor
AnjfogLtrary
Cxjui PnmrtJves OgULtrary Acvn^m
Act№ Devices
Vrfavcfc/m Sources Fjr>:b:r S:uc«
Fnd Component
ISneSarce
2 Rector ’Ground 4TwoPort
5AM
6- Amp
7 master a sum
9F
DAnmatetf Meter
Dependent Sources
Macros
Subckts
Comectcrs
SHFS
Speed Expose
4₽or:
Ir<dj:tor
Dcde
Hre
CM5
Transformer
К
Zener
Р G
Рис. 8
Лабораторная работа № 7
109
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите 0 на рабочее окно, вохте источника и щелкните левой кнопкой мыши. Поя-Сцться окно Resistor (рис. 9).
Рис. 9
В окне Value введите значение сопротивления 50, установите галочку у Show и нажмите кнопку ОК.
Аналогично введите второй резистор.
VI ф
-CZJ—
R1 50
R2[ 50 1
1MHZ
Рис. 10
В результате на рабочем столе будут находиться три элемента так, как погано на рис. 10.
4.2.3 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю r°und (рис. 11).
Установите две земли, одну снизу от источника другую снизу от сопро-иьления R2 (рис. 12). Ю И .............I
по
Глава первая. Описание лабораторных раоот по илц
О Micro-Cap B. 1.0.0 Evaluation Version* [C \MC8DEMO\data\circuit2.cir] Component
Windows Optcns Analyse Design btodel Hep
апэг:<] Pnmitrzes
Analog Ltrary Digital Primitives Ogtai ctrary Artraeon import
And Component Ctn+Shft-F
1 Amp
2 Sne Source 3Res3tor
< Inductor
5 Sum
5 Ground
7F
3 Animated Meter ЭВМ^гу
PinA
Ч'
Subcke
Fassve Corr pcreits Adfre Devices Waveform Sources Functor, Sources Lapace Sources Z Transfer m Sources Dependent Sources Macros
Correctors__________»i Ground I
smps ► -
Speed Purpose * Jumper
N-Pcrt » Jumper?
Jumdagi
Рис. 11
i - x я
Ffe Edt
D G? Н 9
»
-CZ3—
V1Ф 50 ^4
1MHZ j.
Рис. 12
4.2.4 Ввод четырехполюсника (Two-Port)
Откройте меню Component\AnaIog Primitives\N-Port и выберите Two-Por1 (рис. 13). .1
Поместите его между первым и вторым резистором. Зафиксируйте его-щелкнув левой кнопкой мыши. Появиться окно Two-Port:Two Port Componen1 (рис. 14).
Добавить файл, подготовленный в предварительном расчете. Нажат*
кнопку Browse... и в появившемся окне Browse выбрать файл Sparani.s*P (рис. 15).
Нажать кнопку Открыть.
В результате данный файл будет добавлен (рис. 16). I
Нажать кнопку OK. I
Лабораторная работа № 7
111
icro-Cap 8 1.0.0 Evaluation Ver»»on - [C:\AAC8DEAAO\data\ckcuil1.cir]
СотркюХ AnMxi Primitives
opocns АлаМ» Зеэоп нф
□ а?И У
Р G
AnabgLfcrary
Cvjti Pn-wtves DpULfcrary Аплпээу,
Passive Сотрслег.ь AcDve Dev»:es Wjve^rm Sources
RndKr Scurces
45^4 I
FrdCompcrwyt CtjUShft+F
Z “ransfcr m Sources
1MHZ
1 Ground
2 s.«s’xr
3SHe Source
4 TWO-₽CTt SAM
7!rductor
3Sum
9F
0 An-natec Meter
r. r</t •
Macros SUrf-ts Ccmectrs
Рис. 13
Рис. 14
Рис. 15
112
Глава первая. Описание лабораторных раоот по О1Ц
В
Рис. 16
Замечание. Для поворота элементов можно использовать инструмент Rotate (рис. 17).
fl
Рис. 17
случае возникновении 0
лем загрузите файл sparl.s2p.
4.2.5 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопю ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнолЮ мыши, «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 18). 1
W>e Mode (Ctrl-W)|
R1
xi
Рис. 18
Л
Лабораторая работа bto 7 (часть 1)
Исследование S-пзрамвтроэ четыремпопсникое
(M*W\ACJRut ) d»1n« Sil ГМ2>1
«Mine S21 Г¥(Э)
FILE=C:\MC8DEMO\DATA\Sparam.s2p
Рис. 19
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L71.CIR (File\Open...) (рис. 19).
4.3 Построение S-параметров
4.3.1 Построение параметра S1t
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Пронумеруйте узлы, нажмите кнопку нумерации узлов Node Numbers. Добавьте формулы для расчета SN и S,2 в следующем виде (рис. 20).
.define Sil 2*V(2)-1
.define S21 2*V(3)
s" |»кх> Nunben Лабораторая работа to 7 (часть 1)
Исследование S-параме^ров четыое»тк»г.сникое
(AfUMistAC ЛЯип) 2«fneS11
zef oe S21 rvp?:
R1 ——
FILE=C \MC8DEMO\DATA\Sparam.s2p
Рис. 20
Получите зависимости Sn и S12- от частоты. Для этого в меню Analysis вы берите команду АС... (рис. 21).
114
1 AUtSU neptfUM. Uliutunuc JlUUUpUiriUjJHDlA. JIUIJVIH HU Л ЛЛ,
О Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - (C:\MC8DEMO\DATA2\L7_1 cir]
|T Ffe EOt Component Windows Optcns
—
ф:
de'me S*1 FVQH
Лаборатория работа Ыэ 7 (часть 1} Исследование S-
(АП51у$1$ 1 AC -ARim)
FILE=C:\MC8DEMO\DATA\Sparam.s2p
Рис. 21
At*l
AC..
Alt* 2
Dynamic DC... At*4
Dynamic AC... At+5
SensCvity... At*6
Transfer FuTctfon... At* 7
Ostorton... At*8
Probe Transient.. Ctrl* Alt* 1
Probe AC... Ctrl*Alt*2
Probe DC... Ctl1*A!t*3
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемых графиков так, как показано на рис. 22. ч J
Рис. 22
Рис. 23
Frequency Range «Log» — интервал частоты (6 ГГц, 10 МГц,) fmax [, fmin]. I
Number of Points — количество точек для вывода и анализа (100). 1
Auto Scale Ranges — автоматическое масштабирование.
Р — номер окна «1», в котором будет построен график.
Y Expression — параметр построения (5ц).
Выберите диаграмму Смита. Запустите построение, нажав кнопку’ Run.
На экране появиться график зависимости SH от частоты в виде диаграммы Смита (рис. 23).
Jlaoopa торная paboma A? 7
775
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета.
Замечание. Если кривые не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
4.3.2 Построение параметра S2i
Вернитесь к окну Transient Analysis Limits. На клавиатуре нажмите клавишу F9.
В окне Y Expression вести параметр S2I. Выбрать полярную систему коор-динат (рис. 24).
Рис. 24
Запустите построение, нажав кнопку Run.
На экране появиться график зависимости S2I от частоты в полярной сис теме координат (рис. 25). ни:
90
270
Рис. 25
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета.
116
1 лава первая. Описание лаоораторных работ по VГЦ
4.3.2 Построение параметров Sis и $22
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. I
Соберите схему для определения данных S-параметров (рис. 2). Для этого перенесите и подключите к выходу источник VI так, как это показано ца рис. 26. Вместо источника установите короткое замыкание. Введите формулы расчета S-параметров в виде J
.define S12 2*V(2) define S22 2*V(3)-1
Лаборвторея работа ьь 7 'часть 2) Исследовали* ^-параметров четь <;* «гк-псник оз
(ЛлНуШ'АС J
R1
50
50 ,V1<]
Х1
*»1
FILE=C \MC8DEMO\DATA\Sparam.s2p
системе
Повторите машинный эксперимент. Постройте S^ в полярной координат. Постройте Sjj. в виде диаграммы Смита. Полученные графики за несите в соответствующий раздел отчета. Ч
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить кривые S-параметров с аналогичными кривыми, полученными в предварительном расчете. Сделать вывод. 1
6 Вопросы для самопроверки
I. Запишите уравнения четырехполюсника в S-параметрах. Каков физический смысл коэффициентов четырехполюсника?
2. Что называется матрицей рассеяния9
3. Что представляет собой диаграмма Смита?
4. Что представляет собой полярная система координат?
5. Какие системы называются 50 омными.
Лабораторная работа № 7
117
7 Содержание отчета
Отчет
рмляется в
рматс MS Word 2000. Шрифт Times New Roman
14. полуторный интервал.
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий материал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента; графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них.
8 Литература
1. Фриск В. В. Основы теории цепей. М.: РадиоС
Т,
2002. 288 с.
2. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование. М.: Радио и связь, 1990. 288 с.
3. Фриск В. В. Основы теории цепей. Использование пакета Microwave Office для моделирования электрических цепей на персональном компьютере.
М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 160 с.
Лабораторная работа № 8
Исследование сигнала с амплитудной модуляцией
1 Цель работы I
С помощью программы Micro-Cap построить осциллограммы АМ-сигна-ла с различными коэффициентами модуляции.
• 1
2 Задание для самостоятельной подготовки I
Изучить основные положения теории цепей о амплитудной модуляции (AM) стр. 164 (1], стр. 103—114 [2] и стр. 72—81, 255—257 [3]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки.
3 Предварительный расчет
3.1. Построить зависимость AM-сигнала от времени по ниже приведен-
ной
рмулс при рахшчных индексах модуляции m = 0,2; 0,5; 1; 1,2 на ин-
тервале t € (0, 150] мкс.
3.2. Построить спектры несущего колебания и AM-сигнала при различ ных индексах модуляции (ш = 0,2; 0,5; 1; 1,2). 1
4 Порядок выполнения работы
На рис. 1 показана упрощенная схема радиопередающего устройства с AM-модуляцией. Звуковое сообщение преобразуется микрофоном в электрический низкочастотный сигнал (модулирующее сообщение), которое поступает в амплитудный модулятор. С другой стороны в модулятор поступает высокочастотный сигнал (несущее колебание). На выходе модулятора образуется AM-сигнал с симметричной огибающей и высокочастотным заполнением. 1
Огибающая AM-сигнала изменяется по закону, совпадающему с изменениями низкочастотного модулирующего сообщения. Частота и начальная фаза AM-сигнала остаются неизменными. 1
На рис. 2 показана схема машинного эксперимента для получения АМ-сигнала.
Лабораторная работа jVs <У
//У
АМ-радио
Несущее колебание
Модулятор
Звук
Микрофон
Рис. 1
АМ-смгмал
Электрический сигнал (модулирующее сообщение)
Рис. 2
Использовать следующую форму записи AM-сигнала и его параметры:
uAM(t) = U(1 + mcos(Qt)Jsin(<o0t),
где U = 1 В — постоянный коэффициент, определяющий амплитуду несущего колебания в отсутствии модуляции;
m = 0,2 — коэффициент (индекс) модуляции;
О = 2nF0 — модулирующая частота (Fo = 20 кГц);
w0 = 2nFS — частота несущего колебания (FS = 1 МГц);
t — время.
В программе Micro-Cap принята следующая формула АМ-сигнала:
uAM(t) = Offset*(l+Modlndex*V(In))*VPeak*Sin(2*PI*FS*t),
где V(ln) = cos(2rcF0t) — модулирующий сигнал;
Offset = 1 — дополнительный коэффициент;
Modlndex = m = 0,2 — индекс модуляции;
VPeak = U = 1 В — амплитуда несущего колебания без модуляции.
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
C:\MC8DEMO\mc8denio.exe или
ПУСК\Все программы\М1сго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
120
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Рис. 3
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 3) собрать схему для построения AM-сигнала (рис. 2).
4.2 С
рка схемы
4.2.1 Ввод источника косинусоидального напряжения
Ввести источник напряжения с амплитудой Um = 1 В (VA = I) и рабочей частотой f = 20 кГц (F0 = 20k), имитирующий низкочастотный модулирующий сигнал. |
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выберите
Voltage Source (рис. 4). J
Курсор примет форму графического изображения источника. Поместите его на рабочее окно так, как показано на рис. 5. 1
П Micro-Cap 6 1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\data\clrcult1 dr] Corpcnert
zroows Cottons Anatyss Desgi Mode Hjf
jtrarv □0OI ₽TWMK*S □Qtalifcrary АгггЛсг
Component
4 sne Source
5 Inoue tor
Pass** Components
Active Devre
soli ок »|
Function Sources * LxixeSajce » Z Transforr Source * Dependent • vtacros • Subccts • Connecters • № • Sceoai Purpose • N-PtXt » votaQe Source Ч
Sne Source Rj*eSxrce Бэтсе User Source FxecAnA>9 Stvcne 3Pn«eT*an0e tvTC7
V!(J)
Рис. 5
Рис. 4
CnmtK^s
лаоораторная pauoma jxs о /л
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появить-
-я окно Voltage Source. Введите в окне Value следующие данные источника
DC О АС 1 0 Sin 0 1 20k 0 0 90 (рис. 6).
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с косинусоидальной зависимостью напряжения источника от времени (рис. 7). ।
Рис, 6
Рис. 7
122
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку Ок
(рис. 6). • ч ом
4.2.2 Ввод амплитудного модулятора
Откроите меню Component\Analog Primitives\Macros и выберите ком ДМ (рис. 8). я
П Micro-Cap В. 1 1.0 Evaluation Version - (CAMCBDEMO\data\circuit2.cir)
Г.ПЯРТ! Conpxwrt
•vrdow? Spore A'wfyW Desqr Modd нф
HK'OS
ScbCktS Ccmecton
SHFS
Rassrze Cc-nponene • Actr^e Devces »
Waveform Soirees • Fx<ocf Sxr ces » Laplace So_r :es » Z T-arsfcrm Sxrces » Dependent Sorc« »
55S
AM
Cer tap
Corpara“<
De*y
Refer 1 Refey2 Resonant Set met SCR
N-Rort
in
CCXXt
... .
Srvtfcer
SU>
Рис. 8
Курсор примет <(юрму модулятора (слева вход для низкочастотного модулирующего сигнала, с права выход для АМ-сигнала). Поместите его на рабочее окно, воме источника и щелкните левой кнопкой мыши. Появится окно
AM: Amplitude Modulator Macro (рис. 9).
Рис. 9
Лабораторная работа № 8
123
В окне Value введите значение частоты несущего колебания IMeg. установите галочку у Show. Введите остальные параметры модулятора. Установите их такими, как показано на рис. 9. Нажмите кнопку' ОК.
4.2.3 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 10).
Установите землю, снизу от источника VI (рис. 11).
fjMtcro-Cap 8 1.1 0 Evaluation Vernon - [CAMCBOEMO\data\circuil1.ctr] CompcrerX
V-Wfows Opxns VkSfysc Desajn мсоз нф
gH! E<K
AruA «jF-nnetve;
ArufogLtxary
>?tal ^mi^es D^talLtrery vwnaoon
And Component
1AM
2 vcTjge Source
3 Реи ter
4 Sne Source SmdUctcr
?®$*e Components Ac&ve Devices Waveform Sources Ancon Sources .apldce Sources Z Transform Source Dependent Source Macros 50» ts
Comectcrs
SHPS
Speed -urpote
Gwr»j
jjmper2
У’ф
W*
xf
+ ♦ « SO
►
PnA
Рис. 10
Рис. 11
4.2.4 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую
Modlndex=.2
кнопку мыши, «прочертите* соединяя необходи-
Х1
FS=1Meg VPeak*1 Offset» 1 Type=SM
мые полюсы элементов (рис. 12).
случае возникновении
Рис. 12
проблем загрузите с
сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.ncwmail.ru/) файл L81.CIR (File\Open...) (рис. 13).
Пабсре’срая работа Нс 8 (часть 1) »Чсл*аоеамие амггъ'тудисл модупж>м (АГ * I Tf1 Rin )
МОДУЛЯТОР 0С>
2 («03f4RM*-r молмашм
r£=lMej . и млата ия лицго •с'мб»-*»
. »млп*т»дам*суии/о«сл*Оа-»* O^seU' - дооэл^иг>ль-*«й 1С,»>-иг»*т
• ирсуш** ГА^АДГлъизе
ЮДУЛИГУЮЦИЬ 2 И-НАЛ
^ЛГгГц
АМ-СИГНАЛ
В
Рис. 13
124
Глава первая. Описание лабораторных работ по О ГЦ
4.3 Построение AM-сигнала при различных коэффициентах модуляции
4.3.1 Построение AM-сигнала при малом коэффициенте модуляции
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Пронумеруйте узлы, нажмите кнопку нумерации узлов Node Numbers. До-бавьте необходимые текстовые пояснения (рис. 14).
О Micro-Cap 8 1.10 Evaluation Version - [С \MCBDEMOXDATA2U8.cir]
д pfe Edt Component VAwws Optons АлаМй Deuqn нер
□ g^h• • axnI ♦ — ♦ - • < ♦ 5
IT— T1\$3*P I x X Г — -Г
ПаСсргторая работа No 8 (часть 1} ' исследоеааю амплитуд-ей модулями (Ал Tian want Л Run)
МОДУЛИРУЮЩИЙ СИГНАЛ
X*
©=2Г>Гц
------, ды-агндл
~С~*'
МОДУЛЯТОР CXI>
MoflVdvw 2 - мчдагс (жсэффиинемт) модуля.;***'
Г С» 1 Veg - частота несущего «олябання VPoeui амплитуда -есущегз вопеФамия
ое«1*1 ‘ дото-ии-епаиыйеоэффмцюи»
Type=SM * не :уыеt «огебамия симусокдгчмю
Рис. 14
Получите зависимость AM-сигнала от времени. Для этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 15). I
| Fte EOt Ccmponent Whckws Ooxns
О Micro-Cap В. 1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\DATA2\L8 cir]
ATdMB Тгаимх
At*l
Лаборатория рабо'з М? 81 --есть 1)
Исследование амплитудной мэд,пяъги
(AnalysislT’an5»m .Rir) МОДУЛИРУЮЩИЙ СИГНАЛ
®=2(Г«Гц
AM-СИГИ»
DC , DyrarrtDC . Dyrwnc AC...
Al>5
Sensrxy... Alt+6
Transfer Fuxton.. Alt+7
□ctor ben.,. AJt*8
Probe Тглгиеш... Cd+AK*L
Probe AC- CtrUU*2
P-oOeDC... Ort* At* 3
емт) издуияцим
пабания
«опебанмя
ЗффИЦКЯНТ
Рис. 15
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемых графиков так, как показано на рис. 16. I
Time Range — 150u интервал времени (150 мкс). I
Maximum Time Step — O.OOlu максимальный временной шаг (0,001 мкс).
X Range и Y Range — Auto автоматическое масштабирование, I
Р — 1 номер окна в котором будет построен график.
X Expression — t аргумент функции (время).
Y Expression — V(2) параметр построения (напряжение). |
Запустите построение, нажав кнопку Run. I
На экране появиться график (рис. 17) зависимости AM-сигнала от време
ни при малом коэффициенте модуляции (гл = 0,2).
| f S3- 2**te | •: C»a->d | Steps*; | Ртосеи?* |
sTransient Analysis Limits
XMar;e | YRan;e
PNC. 16
Рис. 17
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сделайте вы
вод о
рме полученного АМ-сигнала.
Замечание Если кривые не появились. то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run
4.3.1 Построение АМ-сигнала при большом коэффициенте модуляции
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3.
Увеличьте коэффициент модуляции Modlndex = 1.2 (m = 1,2).
Повторите машинный эксперимент. Постройте AM-сигнал при коэффициенте модуляции большим единицы (режим перемодуляции) (рис. 18).
Полученный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сделайте вывод о форме полученного АМ-сигнала.
126
l.iaea первая, описание лиииритирныл рииош пи ищ
О Micro-Cap 8 110 EwMuetipH Verdon - (Tronstenl Anahit]
И ye &Ж йГ*** v<*rt_^oc* МУОСлпо Qet> ____J* - в
- w н a q •*> ** > M * • g * » •; = "^"sc pg rassf’
- / U = U <!T 3 ► " • / osieecz - ' < > * -• -r • 'X АЛ E ЪЪ 4
~ •••><« • >*»#•
irfeoE
Scale Mode
Рис. 18
Повторите машинный эксперимент при других коэффициентах модуляции (т = 0,5 и т = 1). Полученные графики занесите в соответствующий раздел отчета. Сделайте вывод о форме AM-сигнала. Я
5 Обработка результатов машинного эксперимента !
Сравнить полученные AM-сигналы с аналогичными кривыми, полученными в предварительном расчете. Сделать вывод. Я
6 Вопросы для самопроверки
I. Каков спектральный состав AM-сигнала? |
2. Как расположены спектральные компоненты AM-сигнала относительно несущей частоты. 1
3. Покажите, что процесс модуляции связан с переносом спектра сигнала из области низких в область высоких частот? I
4. Поясните связь при амплитудной модуляции огибающей сигнала с мгновенным значением низкочастотного модулирующего колебания? 1
5. Каков принцип работы AM-радио? I
7 Содержание отчета
Отчет
рмляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman 14,
полуторный интервал.
лииораторная раоота Л? S
127
Для зашиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий ма-териал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента; графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них.
8 Литература
I. Фриск В. В. Основы теории цепей М.: РадиоС
т, 2002. 288 с.
2. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш, шк.,
1983. 536 с.
3. Гоноровский
И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и
связь, 1986. 512 с.
НЯЙЭГОЛДОП ЙОНИПЭТРОТ
IP) НХШМ (ДОМ PoinOWAV • НЛННМ
зил ,тэиэс<7 йцнилопмфшпэои .ггянлг/ПыЯ .|£| —IX
КДД UXJ
•I •!
-4(
КЛ.МСЖММ ГЫ НС
’Тмдкад&яП Е
МТО O6Q яннэнгчолна ярд
menialгэдэгм тМ] пвю-жижи
г*
МГ ОЪГГ<П<' ОлА BOTOTufc* IMji
Лабораторная работа № 9
Исследование сигнала с частотной модуляцией
1 Цель работы
С помощью программы Micro-Cap построить осциллограммы ЧМ-сигна-ла с различными индексами частотной модуляции. Ч
2 Задание для самостоятельной подготовки
Изучить основные положения теории цепей о частотной модуляции (ЧМ) стр. 114—125 [1] и стр. 81—89 [2]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки.
3 Предварительный расчет
3.1. Построить по ниже приведенной формуле зависимости однотональ
ного ЧМ-сигнала от времени (t е |0, 40] мкс) при разных индексах модуляции
(т = 0, т = 0,1 и т = 10).
3.2. Привести
рмулу и по ней построить спектры однотонального
ЧМ-сигнала при разных индексах модуляции (гл = 0, m = 0,1 и m = 10).
4 Порядок выполнения работы
На рис. I показана упрошенная схема радиопередающего устройства с ЧМ-модуляцией. Звуковое сообщение, несущее некоторую информацию, преобразуется микрофоном в электрический низкочастотный сигнал (модули
•Хи
рующее сообщение), которое поступает в частотный модулятор. С другой стороны в модулятор поступает высокочастотный сигнал (несущее колебание). На выходе частотного модулятора образуется ЧМ-сигнал с постоянной ам
плитудой и с изменяющейся мгновенной частотой (рис. 1).
Упрощенно можно считать, что частотный модулятор это генератор, частота колебаний которого управляется напряжением (ГУН), поступающим на его вход (рис. 2). 1
Несущее колебание
ЧМ-радмо
Модулятор
Микрофон
Рис. I
11
ЧМ-сигнал
Электрический сигнал (модулирующее сообщение)
Рис. 2
В случае однотонального ЧМ-сигнала мгновенную частоту можно записать в виде
<o(t) = ы0 + Дш cos(Qt + Vc)>
где cn(t) — мгновенная частота ЧМ-сигнала:
ш0 — несущая частота ЧМ-сигнала;
Дш — девиация частоты ЧМ-сигнала;
Vo — начальная фаза;
Q — частота модулирующего низкочастотного сигнала.
Будем использовать следующую форму записи ЧМ-сигнала:
u(t) = U0cos|w0t + msin(Ql) + <pj,
ГДС m = ТГ ~ индекс одноюнальной частотной модуляции; L'o — амплитуда ЧМ-сигнала;
Фо — фазовый угол.
В программе Micro-Cap принята следующая
11И
рмула ЧМ-сигнала:
F = VO + VA*sin(2*PI*F0*TIME+MI*sin(2*PI*FM*TlME)),
ГДе F — мгновенное значение ЧМ-сигнала;
V0 = О В — постоянная составляющая;
VA = I В — амплитуда ЧМ-сигнала;
F0 = 250 кГц — несущая частота;
PI = 3,141592653589795;
Ml = 10 — индекс модуляции;
FM = 20 кГц — частота модуляции;
TIME — время.
130
1.1060 IlitpiiUH. UIIUluhuc Auvuyuinvpnu^ ^MVU4, v ж м
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
C:\MC8DEMO\mc8demo.exe
или
ПУСК\Все программы\М|сго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 3) собрать схему для получения ЧМ-сигнала (рис. 2).
Рис. 3
4.2 Сборка схемы л
4.2.1 Ввод источника ЧМ-напряжения I
Откройте меню Component\Analog Primitives\Wavefbnn Sources и выберите Voltage Source (рис. 4). w
Курсор примет форму графического изображения источника. Поместите его на рабочее окно так, как показано на рис. 5. -W
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно Voltage Source. Выберите закладку ЧМ-сигнала SFFM (Signa) Frequency FM). Нажмите кнопку Modulate!. Введите следующие данные источник DC = О, V0 = 0, Ml=IO, ACmagnitude = О, VA=l, FM = 20k, ACPhase = (l и F0 = 250k (рис. 6). '
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой 1,3 кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника °* времени (рис. 7).
«
132
Глава первая. vnutanuv .иипуиторп
Рис. 7
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку' ОК (рис. 6).
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Coniponent\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 8).
1 Micro-Cap B. 1.1.0 Evaluation Version * [C:\AAC80EMOldata\circuit1.cir]
Ccmporenr
Windows options AnivsE. Design мс<й Нес*
iCPnmf
AndocLtcary
Dgta Primitives
D^ta Ltrary
Anmazcn
find Corr pcnert Ctrl+Shft'F
1*4
2 Voit>7? Source
3 Pester
4 Sne Source
5 Inductor
[ Pabsrve Com^onenrs Active Sevres Waveform Sources Fuxxn Socrces L<»aoe Sxrces 2 Transform Saxces Deoeoder t So_rces Macros Su»-G
Corner tore
*| Grand
StTS
Spend Purpose
* N-Pcct
Dumper
Jum;-sr2 jjmiajl
- • <? ВО
Рис. 8
Лабораторная работа Лг 9
133
установите землю, снизу от источника VI (рис. 9).
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного >иесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L9.CIR (File\Open...) (рис. 10).
Рис. 9
Лабораторая работа № 9
Исследование частотной модуляции
(Analysis \ Transient.^ Run )
ЧМ-модулятор
!♦ 9 FМ= 20 кГц- частота модуляции
V1 С/ ЧМ-сигнал уа=1 В-амплитуда ЧМ-сигнала
v ‘ F0=250 кГц - несущая частота ЧМ-сигнала
М1=10 - индекс модуляции
Рис. 10
4.3 Построение ЧМ-сигнала и его спектра при различных коэффициентах модуляции
4.3.1 Построение ЧМ-сигнала при т = 10
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Добавьте необходимые текстовые пояснения (рис. II).
О Micro-Cap 8 1.1 0 Evaluation Version • [C:\MC8OEMO\DATA2\U9.cir)
Ц Не Edt Сол penent wince**; cpozrs Anaiyss Moid Hdp
D ea£ -* > b e > и, I -- -> - ♦ < <>s> M- ♦ : = “
T£f)\^p i -c— <cg э
'Лабораторая работа Na 9 (часть 1)
Исследование частотной модуляции
(Analysis \ Transient.^ Run )
J ' ЧМ-модулятор
► FM=20 кГц - частота модуляции
ЧМ-сигнал VA=1 В - амплитуда ЧМ-сигнала
F0=250 кГц - несущая частота ЧМ-сигнала М1= 10 - индекс модуляции
V1
Рис. 11
Получите зависимость ЧМ-сигнала от времени. Для этого в меню Analysis Нь,^>ерите команду Transient... (рис. 12).
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте па-^Метры построения требуемых графиков так, как показано на рис. 13.
Time Range — 40u интервал времени (40 мкс).
134
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
(3 Micro-Cap в. 1.1 О Evaluation Version - (С \MC8DEMO\DATA2\L9 cir] ’FJN*JL Е
VI
моое чек»
Лэоораторая раоота № 9
Исследование частотной \
( Analysis \Transient..ARun)
> FM=x
ЧМ-сигнал VA=1
F0=2
MI=1I
игнала
Рис. 12
Рис. 13
Maximum Time Step — O.OOlu максимальный временной шаг (0,001 мкс).
X Range и Y Range — Auto автоматическое масштабирование.
Р — 1 номер окна, в котором будет построен график.
X Expression — t аргумент функции.
Y Expression — V(V1) параметр построения.
Запустите построение, нажав кнопку Run
На экране появиться график (рис. 14) зависимости ЧМ-сигнала от времс ни при коэффициенте модуляции m = 10. 1
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сделайте вы вод о форме полученного ЧМ-сигнала. 1
Замечание. Если кривые не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины й?я построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
4.3.2 Построение ЧМ-сигнала при при т = О
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3.
Введите коэффициент модуляции MI = 0 (гл = 0). 1
Повторите машинный эксперимент. Постройте ЧМ-сигнал при коэффй циенте модуляции равным нулю (режим отсутствия модуляции) (рис. 15).
Лабораторная работа J\& 9
135
Рис. 15
Полученный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сделайте вЬ1вод о форме полученного ЧМ-сигнала.
4.3.3 Построение спектра ЧМ-сигнала при m - О
Постройте линейчатый спектр полученного ЧМ-сигнала при Ml = О <ГП:=0). На клавиатуре нажмите клавишу F9. В появившемся окне Transient ^tialysis Limits нажмите кнопку Add. Добавиться строка для второго графика, ‘ведите частотный диапазон так, как это показано на рис. 16.
Р — 2 номер окна в котором будет построен спектр.
136
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Рис. 16
X Expression — (аргумент функции (частота). I]
Y Expression — HARM(V(V1)) построение спектра.
X Range — 300k,200k,10k интервал частот от 200 кГц до 300 кГц с 10 кГи.
Y Range — Auto автоматическое масштабирование.
Запустите построение, нажав кнопку Run.
шагл.
На экране появиться график (рис. 17) зависимости ЧМ-сигнала от upcMi ни и его спектр при коэффициенте модуляции m = 0 (режим отсутствия мод линии).
Рис. 17
Полученные графики занесите в соответствующий раздел отчета. Следа те вывод о частотном составе ЧМ-сигнала.
4.3.4 Построение спектра ЧМ-сигнала при большом индексе модуляции
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3.
Увеличьте коэффициент модуляции VII = 10 (in = 10).
JlUUUpUHlVpHUH puuvniu J ту у
1J7
Постройте ЧМ-сигнал и линейчатый спектр данного ЧМ-сигнала при to1biuoM индексе модуляции.
Полученные графики занесите в соотвстствуюший раздел отчета. Сделай-вывод о частотном составе ЧМ-сигнала.
4_3.5 Построение спектра ЧМ-сигнала при малом индексе модуляции
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3.
Уменьшите коэффициент модуляции Ml = 0.1 (m = 0,1).
Постройте ЧМ-сигнал и линейчатый спектр данного ЧМ-сигнала при малом индексе модуляции.
Полученные графики занесите в соответствующий ралтел отчета. Сделайте вывод о частотном составе ЧМ-сигнала.
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить полученные ЧМ-сигналы и их спектры с аналогичными кривыми, полученными в предварительном расчете. Сделать вывод.
6 Вопросы для самопроверки
1. Каков спектральный состав однотонального ЧМ-сигнала?
2. Как расположены спектральные компоненты однотонального ЧМ-сиг-нала относительно несущей частоты.
3. Чему равна практически ширина спектра ЧМ-сигнала при больших значениях индекса модуляции?
4. Поясните различие амплитудной и частотной модуляций?
5. Каков принцип работы ЧМ-радио?
7 Содержание отчета
Отчет оформляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman 14, полуторный интервал.
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий материал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента; трафики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них.
8 Литература
1. Баскаков С. И Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш, шк., >983. 536 с.
2. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь. 1986. 512 с.
Лабораторная работа № 10
Исследование на ЭВМ RC-генератора
1 Цель работы |
С помощью программы Micro-Cap исследовать низкочастотный RC-гене-ратор на биполярном транзисторе.
2 Задание для самостоятельной подготовки 1
Изучить основные положения теории цепей о RC-генераторах стр. 183—190 [1], стр. 295—299 [2] и стр. 153—154 [3]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки. ”
3 Предварительный расчет
3.1. Рассчитать и построить фазочастотную характеристику (ФЧХ) q>|(D однозвенной фазосдвигаюшей RC-цепи (рис. 1). Рассчитать частоту при которой фаза <р,(f^-) = 60°. I
Рис. 1
R = 2,2 кОм;
С= 10 нФ;
f е [1, 20] кГц — текущая частота;
j = V-1 — мнимая единица;
Ф) (f) =arctg
-О 2-fRCj
ФЧХ однозвенной фазосдвигающей цепочки;
f^. — частота, при которой фаза равняется 60е; и, — комплексное входное напряжение;
ЛЪиирнтирПНЛ IV
IJV
jj2 — комплексное выходное напряжение;
Н — комплексная передаточная функция напряжения;
H(D — модуль (АЧХ) комплексной передаточной функции напряжения.
Полученные данные занести в таблицу 1.
3.2. Рассчитать и построить ФЧХ <p2(f) двухзвенной фазосдвигающей RC-цепи (рис. 2). Рассчитать частоту при которой фаза v2(f,20.) = 120е.
с с
Нг= =Н2(Пе^п
Рис. 2
Полученные дайные занести в таблицу I.
3.3. Рассчитать и построить ФЧХ <p3(f) трехзвенной фазосдвигающей RC-непи (рис. 3). Рассчитать частоту f h0., при которой фаза ф3(Г18(Г) = 180°.
-ЭСИГЛнИ* НОиОЭ RI3IIOIЯГЛГ4ТЭГЛК|П 11*С|ОТк(|ин >?! МП*Х'4ич . !
ИГОГ.ОЗД МШКМЛЦШНд иГИк нННЛзХИХЛИШ Г»Т
с с с
•' ti '4 11 ~
Рис. 3
Полученные данные занести в таблицу 1.
3.4. Рассчитать частоту генерации ^ГЕН RC-генератор (рис. 4). Полученное значение занести в таблицу 1.
Рис. 4
1 JIU&U r
Таблица /
4 Порядок выполнения работы I
На рис. 4 показана схема RC-генератора, представляющая собой однокаскадный транзисторный усилитель на биполярном транзисторе, между входом и выходом которого включена трехзвенная фазосдвигающая цепочка (рис. 3).
Элементы R и С фазосдвигающей цепочки должны быть подобраны так, чтобы на одной частоте f|TH фаза поворачивалась на 180’. Следовательно, каждая RC-цепочка должна сдвигать фазу на 60°. Я
Заметим, что номинал резистора R3 равняется параллельному соединению R, R; и входному сопротивлению транзистора. Я
В реальном генераторе частота генерации зависит от многих параметров. Приближенно частоту генерации RC-генератора можно рассчитать по формуле ( Я
frEH " 2nj6RC
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap В
Включить ЭВМ и запустить программу' Micro-Cap I
C:\MC8DEMO\mc8demo.exe I
или '
ПУСК\Все программыХ Micro-Cap Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0. I
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 5) собрав схему однозвенной фазосдвигающей цепочки (рис. 1).
Цабораториая работа № 10
141
Рис. 5
4.2 Сборка схемы
4.2.1 Ввод источника синусоидального напряжения
Ввести источник синусоидального напряжения с амплитудой Um = I В (А=1) и рабочей частотой fM-, подученной в предварительном растете (F=f«r).
Откройте меню Component\Analog Primitives\ Waveform Sources и выберите Sine Source (рис. 6).
П Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - (C:\MC8DEMO\data\circuit2.cir)
Con«nent
ЭрЬХТ АпЛ'-r De>gn stxJd нф
» - -- . — — _ - A 1 _ _ L a
PrtrtJ*€5
АпзГ.И Ltrary DptaRWr/es
Cwjt^Ltr.ry
Anma’xn
J Рязм»СотрггипС
A-P.--Ce.res
rff Sources
FrdCo<%cnert
Functon Sources »
1<4ке Scutes •
Z Traxform Sure» ’
Bazrerv vcftageSxrze
э-*>хгс*
Vic
IResRtor
2 Ground
3Sne Source
4 voyage Source SAN
€ frdxtcr
МКГСГ
SJttfS Ccnnecxc;
S*FS
Speca Purpose
N-Pcrt
JS<xr:e user Source RxeJ AnM>g Star case ЗРЬкеТ'ИГ^е MIC? I
Рис 6
Курсор примет форму графического изображения источника. Поместите его на рабочее окно так, как показано на рис. 7. Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появиться окно Sine Source. Введите 1
142
Глава первая. Описание лабораторных работ по О ГЦ
П Micro-Cap 8.1 Л.О Eva
2| E*i =« CumroTent з cs и w * ар2
vt(t)
в окне Value, в окне F значение рабочей частоты, п ченной в предварительном расчете, в окне RS введи-]С (рис. 8).
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкц те мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с завис мостью напряжения источника от времени (рис. 9). Я
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. И
Рис. 7
жмите кнопку ОК (рис. 8).
Рис. 8
Рис. 9
Лабораторная работа JV° 10
143
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю
rround (Рис- 10>-
° установите землю, снизу от источника VI (рис. 11).
Cap 0 1.0.0 Evaluation Version - (C:\MC8DEAAO\dale\circuit2.cir] ffl Cocr^-xer <t
VAxcws Ottens ДлаГузБ Des^i мхе -tt.
kxjPrimith^s
АГЛ09 Ltrary j'f T :>jui=rm-t№s -----
Атаги ton Import
Frd Component CUi*Shft*F
Pass** Сосгсспег ts » Actve Devices » Wavefcrm Sources » Ftr>:oc<- Sources » Laplace Sources ► Z Transform Sources * Dependent Sources ’ Macros •
A *•
(3 Micro-Cap 0.1 10 Evaluation 1
2 Sne Soiree Зэ.«дхг
11 4l>5uctor
5 Sum
6 jrourx
7F
_ 6 ATmated Meter
SBeeery
rvc< • ' I
Special Purpose
•H'x:
Jumper
Xmper2
Xnvlajl
Р.ПЙ
Рис. 10
g0= 5Л Сотропвч д.п5:-ш5
4.2.3 Ввод резистора
Откроите меню Component\Analog Priniitives\Passive Components и выберите команду резистор Resistor (рис. 12).
G Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version- (CAMCBDCMOVJatatelreutlZ ck]
FnC Comjcrent Ctri<fr>ft*F
•raog Lfccarv Dgtd Primitr.-es
O^Uxary Arinator’
V1(
1 Or tend
2 Sne Source
3 Vcfcage Source
МЭСЭ5
SubO-fc
Ccrr «ctors
Ac Ove Devices Waveform Sources Fjncton Sxrces Laplace Sources Z Transform Sources
SResstcr
6inOX2r
N'ert
Minus Plus
Рис. 12
144
Глава первая, описание лаоораторных раоот по ищ
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Помести^, его на рабочее окно возле источника и щелкните левой кнопкой мыши. Поц. виться окно Resistor (рис. 13).
Рис. 13
В окне Value введите значение сопротивления 2,2 кОм (2.2k), установите галочку у Show и нажмите кнопку ОК.
4.2.4 Ввод конденсатора
Откроите меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выбери те команду конденсатор Capacitor (рис. 14).
О Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\dala\clrcutt2 c1r]
С G3Q Н
Comoznent
Fnd Component
Knasrc Рплпсме$
A.ni:< L trjr, QjtJ P'lfnoves □sXJLtrar-y ATHnaton
Wrdcws Optorr; Aj'Jtras Мс-> Heto
iRjess&r
2 3-ocnd 3SneSxxce
5AM
6lncuc~r
Wwefcrm Sources Fox ton Sources uctoce Sources Z Transform sources Depenoenc Sources A A — J- _r
SUxSts
Ccrrrctars SMPS
Speoai Pispoee
□fcoe Tine O»5 Transformer К Zener
PbJS
Рис. 14
Лабораторная работа № 10 14$
курсор примет форму конденсатора (две параллельные линии с вывода-) Поместите его на рабочее окно, возле источника и щелкните левой кноп-М й мыши. Появиться окно Capacitor (рис. 15). В окне Value введите значение К <кости Ю нФ (10п), установите галочку у Show и нажмите кнопку ОК.
В окне редактора появиться следующее изображение (рис. 16).
Рис. 15
Рис. 16
146
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
4.2.5 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнап^ ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнод? мыши, «прочертите* соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 17).
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебно*, процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл LIO_1.CIR (File\Open...) (рис. 18). g
О Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version • [C \MC8DEMO\DATA2\L1C_t
О Micro -Cap 8.1.1.0 Evaluation Varsl
0 £*• £3~pcnert )Mrdcw$ QpU: DiU У & & | r/ Ju Cfe g * >
|T- T~-\ ^’P J
Pmc. 17
-k? -3: Comoonent AnJ/ss
—• • * 1-^—— . »» 1 - - ——- - - — - " ' —
GO
Лабораторая работа N» 10 (часть 1) Исследование на ЭВМ RC-генератора
(Analysis \ АС..Л Run)
Рис. 18
4.3 Моделирование RC-генератора
4.3.1 Построение ФЧХ однозвенной фазосдвигающей RC-цепи I
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Получите зависимость ФЧХ однозвенной RC-цепи от частоты. Для этого в меню Analysis выберите команду АС... (рис. 19).
На экране появиться окно AC .Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графика так, как показано на рис. 20.
Frequency Range — 20k,Ik диапазон частот (I...20 кГц). И
Number of Points — 3000 количество точек частоты.
Р — 1 номер окна, в котором будет построен график.
X Expression — f аргумент функции.
Y Expression — ph(V(Rl)) параметр построения (ФЧХ). Д
X Range — диапазон постарения по оси «X» оси 20k, Ik, 0.5k (5...20 к Till шагом 0,5 кГц).
Y Range — диапазон постарения по оси «У» оси 100, 0, 10 (0...100* с tda' гом 10*).
Запустите построение, нажав кнопку Run. I
На экране появиться график ФЧХ однозвенной RC-цепи (рис. 21).
Лабораторная работа М 10
147
П Mure Сар В 1 1 0 tva’^alKjn Version - (C \MCt: ПМС\ОАТД1\иО_1 СЯ]
jg f+- E T CO-npCTWC ЛП>:*5 ССО2Г5 Jry ^je
о^оеаа:
Лабораторая работа Ns 10 Исследование на ЭВМ RC-
OpwrcDC-. мм
ОГШ^САС М»5
SenaTMty. AJU6
TrrefarKrcton . AM* 7
( Analysis \ AC..Л Run)
| DUDDOH Pr3t«7r<«rCk CVHMO
P'X* AC- CWAJU2
p*oteoc e*«Mt*3
Рис. 19
Me,.new >s/xj« % f (7
Г4»«в^л ртё 3 Г Ач> &4Й
HomOrM 'f <
I fr 1’ГМ74ЙлЗЦн
Рис. 20
Рис. 21
148
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Опредед частоту, при которой фаза равна 60’.
Замечание. Если кривые не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. На-жмите вновь кнопку Run
Для точного определения частоты, при которой фаза равна 60=, нажмиЫ на клавиатуре одновременно клавиши <Shift+Ctrl+Y>. В появившейся форм' Go То Y введите 60 (рис. 22).
Рис. 22
Нажмите клавишу Left и затем Close. I
4.3.2 Построение ФЧХ двухзвенной фаэосдвигающей RC-цепи
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Аналоги* но введите второе звено (рис. 23).
Повторите машинный эксперимент. Получите -зависимость ФЧХ двухзвенной RC-цепи от частоты. “
Полученный график занесите в соответствующий раздел отчета. Определите частоту, при которой фаза равна 120*.
Замечание. Установить в окне Y Expression -^ph(V(R2)) (рис. 20).
Рис. 23
П *Ьсгф-С^ 1110 Evaluaoon Vet itan - (С \MC1OEM0\DATA2UJ
g » &Ж йУТ.-ПВГ» Й
2 В U Й 1 > >J
V - т~- Д>Р 1 х '
Лабораторая работа Ns 10 (часть 2)
Исследование на ЭВМ RC-генератэра
( Analytic \ AC.,A Run )
Выход
Рис. 24
JJUWNIU JW 1U
149
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L10_2.CIR (File\Open.„) (рис. 24).
4.3.3 Построение ФЧХ трехзвенной фазосдвигающей RC-цепи
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Аналогично введите третье звено (рис. 25).
Повторите машинный эксперимент. Получите зависимость ФЧХ трехзвенной RC-цепи от частоты.
Полученный график занесите в соответствующий раздел отчета. Определите частоту, при которой фаза равна 180’.
Замечание. Установить в окне У Ехрг
n - 360+ph(V(R3)) (рис. 20) +360' для
того, чтобы график уместился во вторам квадранте.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L10_3.CIR (File\Open...) (рис. 26).
О Micro-Cap В 1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMOWATA2
(1 Micro-Cap В. 1.1.0 Evaluation Version • [CAMC8DEMO\d
J Be frit Comxoenc ^noow$ фосте 0 О H в a * в > *1 ♦ Ч- ** -W- 4
jt£ ye В* Corr ponmr Qp oors улю QOjn £>***
з ss u u • •*».»> p x м i *
- г t — + *(
Лабораторая работа № 10 (масть 3) Исследование на ЭВМ RC-генератора
(Arirysh \ AC . ARun )
Рис. 26
Вхход
Запустите построение, нажав кнопку Run.
Полученные данные и график занесите в соответствующий раздел отчета.
4.3.4 Моделирование RC-генератора
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3.
Введите схему RC-гснсратора на биполярном транзисторе (рис. 4).
4.3.4.1 Ввод транзистора
г Введите параметры п-р-п транзистора KT3I6B. Щелкните на закладке e*t и введите модель данного транзистора (рис. 27).
150
Глава первая. Описание лабораторных раоот по м/ц
Select Mode
ext page for notes and ac
Рис. 27
MODEL KT316B NPN (IS = 3.49F BF = 74.97 VAF = 102 IKF = 0.1322
ISE = 44.72F BR = 0.2866
+ VAR = 55 IKR = 0.254 ISC = 447E-I5 RB = 66.7 RC = 7.33 W CJE = 1.16E-12 VJE = 0.69 MJE = 0.33
+ CJC = 3.93E-12 VJC = 0.65 MJC = 0.33 FC = 0.5 TF = 94.42E-I2 Я
XTF = 2 VTF = 15 ITF = 0.15 W
+ TR = 65.98E-9 XTB = 1.5)
Щелкните закладку Page 1.
Откроите меню Component\Analog Primithes\Active Devices и выберите команду конденсатор NPN (рис. 28).
v/noos Cptons Апз^-as Оу/з Mode* Het
ГвМ*сго*Сар 8 110 Evaluation Version • (С \MC8DEMO\dataXctrcu1t2.clr]
АпЖлЭ P-rmt^es
C (2Q Н
CQCiLtrary Аптэооп
Frd Component Ctri*Shft*F
IRessEr
2 Ground
3Sre Source
4 vooge Source
5 AW бГхЛхпог
Passive Corripcnerts • L I
| АсГ'/* Owes 12™ Il
Wavexrm Sources 8
Function Sources • ‘f-CS
Laotoce Sources • PMCS
Z Transfer r Sources ► OMOS
Dependent Sccrces » CPWOS
Macros • KJFET
Sutots • PJET
Connectors • Opamp
SWS • GMtf=ET
Spec-a Purpose • SFK4
k-₽ort » PFT4
Рис. 28
Курсор примет
• •г»
рму транзистора. Поместите его на рабочее окно,
конденсатора СЗ и шелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Transistor (рис. 29). В окне Value введите КТ316В (латинскими буквами),
воз> ус*
новите галочку у Show и нажмите кнопку ОК.
Лабораторная работа А? 10 151
Рис. 29
Установите остальные элементы.
4.3.3 Построение осциллограммы и спектра генерируемого напряжения
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Получите зависимость генерируемого напряжения RC-генератора от времени (осциллограмму). Для этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 30).
На экране появиться окно Transient .Analysis Limits, в котором следует задать параметры построения требуемых графиков так, как показано на рис. 31.
Time Range «239.4и* — интервал времени (0...239.4 мкс).
Maximum Time Step <>0.01и» максимальный шаг интегрирования <°,01 мкс).
Р номер окна «1», в котором будет построен график напряжения.
Р номер окна «2», в котором будет построен график амплитудного спек-Фа.
X Expression «t», «f> — аргументы функции напряжения и амплитудного сйектра.
Y Expression *V(R5)» и «HARM(V(R5))» — имена функции напряжения и амплитудного спектра.
152
Глава первая. Описание лабораторных работ по VIЦ
П Micro-Сэр 8.1.1.0 Evaluation Vernon - [C:\MC80EMOWATA2\L10.4.CIRj
g] Fte ЕЛ Сиренах Wncbws Opterc
(Analysis \ Transient...' Run)
Лабораторая работа № 10 Исследование на ЭВМ RC-
Tr<rt»art д
DG.. ДМ
Онате ОС... АД-4
АС •
[* Ьегзглгу . «♦6
Transfer Fjxbon... AM
СШ-АЛ*1
С«Я>Д*«2 €»!♦<♦ 3
Probe Tratsienc.
Prcbe AC...
Prcbe DC.
9F—U —
Рис. 30
Рис. 31
X Range — интервал отображения аргумента по оси X.
Y Range — интервал отображения функции по оси Y. И
Запустите построение, нажав кнопку Run. И
На экране появиться графики зависимости напряжения генерации V(R?' и амплитудный спектр (рис. 32). .И
Рис. 32
Лабораторная раоота №10
153
Полученные Пуфики (осциллограмму и амплитудный спектр) занесите в тветствующий раздел отчета. По диаграмме амплитудного спектра опреде-с°°, частоту генерации и занесите ее значение в таблицу 1.
В случае возникновении проолем загрузите с сайта поддержки учебного прОцесса (htlp://frisk.newmail.ru/) файл LW_4.C1R (File\Open...).
Жаф Ж" W Ж ▼ В I
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить полученные графики и данные с графиками и данными, полученными в предварительном расчете. Сделать выводы.
6 Вопросы для самопроверки
1. Выведите формулу ФЧХ для однозвенной фазосдвигающей цепочки.
2. Выведите формулу для частоты, при которой ФЧХ однозвенной цепочки равна 60°. . \ ' Г/1 .
3. Выведите формулу ФЧХ для двухзвенной фазосдвигающей цепочки.
4. Объясните физические процессы, проходящие в RC-генераторе?
5. Какое условие называется балансом фаз?
7 Содержание отчета
Отчет оформляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman 14, полуторный интервал.
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий материал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента; графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них.
8 Литература
2. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986. 512 с. , . ,
Тули М. Карманный справочник по электронике. М.: Энергоатомиздат,
Лабораторная работа № 11
Исследование на ЭВМ цифровых логических элементов
1 Цель работы I
С помощью программы Micro-Cap исследовать цифровые элементы электрических цепей. Изучить таблицы истинности и реализацию логических элементов НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ и ИЛИ-HE. 1
2 Задание для самостоятельной подготовки I
Изучить основные положения теории цепей о цифровых схемах стр. 267—271 [1], стр. 5—50 [2] и стр. 4—92 [3]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки. 1
ПСТТ 3 WJrl .UluW Cl/l ЗГЛМДОф Я КЭТЭиГсМЦОфО
3 Предварительный расчет ]
3.1. Составить таблицу истинности для одновходового логического элемента НЕ (рис. 1). |
НЕ
Рис. 1
Обозначения на рис. 1: И
1 — вход; . Д
2 — выход. 1
Полученные данные занести в таблицу 1.
3.2. Составить таблицу истинности для двухвходового логического элемента И (рис. 2). I
Обозначения на рис. 2: I
1 — первый вход; I
2 — второй вход; I
3 — выход.
Лабораторная работа №11
155
S1
S2
и
Рис. 2
^-*5 S1-S2
Полученные данные занести в таблицу 2.
3,3. Составить таблицу истинности для двухвходового логического эле-мента ИЛИ (рис. 3).
S2-2-*
ИЛИ
S1vS2
Рис. 3
Обозначения на рис. 3:
1 — первый вход;
2 — второй вход;
3 — выход.
Полученные данные занести в таблицу 2.
3.4. Составить таблицу истинности для двухвходового логического элемента И-НЕ (рис. 4).
И-НЕ 22^*5^
Рис. 4
Обозначения на рис. 4:
1 — первый вход;
2 — второй вход;
3 — выход.
Полученные данные занести в таблицу 2.
3.5. Составить таблицу истинности для двухвходового логического элемента ИЛИ-HE (рис. 5). ‘
ИЛИ-НЕ
Рис. 5
Обозначения на рис. 5:
1 — первый вход;
2 — второй вход;
3 — выход.
Полученные данные занести в таблицу 2.
156
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
—
Таблица /
Таблица 2
По предварительному расчету Получено экспериментально
S1 S2 и или И-НЕ ИЛИ-НЕ *$1 S2 И ИЛИ И-НЕ или-<
0 0
0 1
1 0
1 1
4 Порядок выполнения работы Л
В цифровых микросхемах логические операции осуществляются с помощью логических элементов. Устройства, предназначенные для формирования алгебры логики, называются цифровыми устройствами. Функции алгебры логики и их аргументы могут принимать значения логических 0 и 1. W
Рассмотрим некоторые элементарные логические функции.
Логическая функция НЕ (логическое отрицание, инверсия) одного аргумента преобразует сигнал логической 1 на своем входе в логический 0 на выходе. Логический 0 на входе преобразуется в логическую I на выходе. 1
Логическая функция И (конъюнкция) двух аргумента осуществляет операцию логического умножения сигналов. Конъюнкция входных сигналов равна логической 1 в том случае, когда оба входных сигналов равны логической I. Если хотя бы на одном входе присутствует логический 0, то на выходе будет 0. '
Логическая функция ИЛИ (дизъюнкция) двух аргумента осуществляет операцию логического сложения сипзалов. Дизъюнкция входных сигналов равна логической 1, если или первый сигнал или второй сигнал равен логической 1. Сигнал 0 на выходе появляется тогда, когда на двух входах одновременно присутствует логический 0. Я
Логическая функция И-НЕ (штрих Шеффера) двух аргумента осуществляет операцию логического отрицания конъюнкции. Если на всех входах штриха Шеффера присутствует логическая I. то на выходе будет 0. Иначе на выходе будет I.
Логическая функция ИЛИ-ИЕ (стрела Пирса, функция Вебба) двух аргумента осуществляет операцию отрицания дизъюнкции. Если на всех входах
c1bl Пирса имеется логическим 0, то на выходе будет логическая 1. Любая ^ая комбинация входных сигналов приведет к логическому 0 на выходе.
Будем использовать положительную логику, т. е. считать, что логическая физически соответствует высокому уровню напряжения (близкому к +5 В). Логический 0 соответствует низкому уровню напряжения (близкому к нулю BiibT) (рис- 6). у , ,
Рис. 6
Если последовательно соединить два ключа (рис. 7), то они будут работать по логике И. Ток в цепи появиться, если замкнуты оба ключа и S1 и S2.
Назовем замыкание ключа событием логической 1, а размыкание ключа событием логического 0. Будем считать, что на выходе элемента логическая I
тветствует напряжению высокого уровня, а логический 0 напряжению
низкого уровня.
Последовательно перебирая состояния этих ключей, можно составить таблицу входных и выходных данных для такого элемента. Покажем с помощью программы Micro-Cap. что эта таблица будет таблицей истинности элемента И.
Если параллельно соединить два ключа (рис. 8), то они будут работать по Логике ИЛИ. Ток в пепи появиться, если замкнут ключ SI или ключ S2. Назовем замыкание ключа событием логической I, а размыкание ключа событием
логического 0. Будем считать, что на выходе элемента логическая 1 соответст
вует напряжению высокого уровня, а логический 0 напряжению низкого Уровня. Последовательно перебирая состояния этих клю-’•ей, можно составить таблицу входных и выходных данных
Для такого элемента. Покажем с помощью программы (^si \s2
Micro-Cap, что эта таблица будет таблицей истинности эле- I-1
мента ИЛИ. _ВыхОДили
На рис. 9 показана одна из возможных реализаций од- пч
Новходового элемента НЕ. Наибольшее распространение у
подучил транзисторный элемент. собранный по схеме с об- 08 Щим эмиттером (рис. 9). Резистор R, ограничивающий ток Рис. 8
I AUOU ril'/HIUM. jr^vv... '<ч лх л -.
/эгг
Рис. 9
базы последовательно соединен с п-р-п транз» стором VT. Резистор R, — коллекторная нагрузи
Когда на базе транзистора нет напряжения, i транзистор закрыт, выходное напряжение име< высокий уровень (почти +5 В). Если через peai стор Rj на базу транзистора подать напряжен» высокого уровня, то потечет ток, который откро< транзистор, т. с. переведет транзистор в состоянг
насыщения. В этом случаи выходное напряжение станет низким. Можно счц
тать, что все выводы транзистора база, эмиттер и коллектор замкнуты между собой, т. е. транзистор превращается в точку.
Будем считать, что переключение транзистора происходит мгновенно. Следовательно, выходное напряжение может принимать только два дискретных значения высокое (логическая 1) или низкое (логический 0). Транзистор работает в ключевом режиме. Он только открыт или только закрыт и удерживается в одном из этих состояний, пока на входе сохраняется соответствую
щий уровень сигнала.
Последовательно подавая на вход низкий (логический 0) или высокий (логическая 1) уровень напряжения, можно составить таблицу входных и выходных данных для такого элемента. Покажем с помощью программы Micro-Cap, что эта таблица будет таблицей истинности элемента НЕ. 1
Вместо биполярного транзистора можно использовать комплиментарную пару полевых транзисторов (КМОП — комплиментарная-метал-окисел-полу-
Рис. ю
проводник) с противоположными типами электропроводимости. Затворы этих транзисторов электрически соединены и образуют вход логического элемента (рис. 10).
Транзистор VTI имеет p-канал, а транзистор VT2 — п-канал. Л
Если на входе устанавливается низкий уровень напряжения (логический 0), то транзистор XT! открыт, а транзистор VT2 закрыт. В этом случае уровень выходное го напряжения будет близок к напряжения шины питания +5 В (логическая 1). Л
Когда на входе устанавливается высокий уровень напряжения (логическая 1), то транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт. В этом случае уровень выходного напряжения будет близок к нулевому потенциалу обей
шины (логический 0).
Заметим, что поскольку один из транзисторов обязательно закрыт при любом сигнале на входе, то ток через эти транзисторы не проходит. Поэтому потребление энергии от источника питания происходит только в моменты переключения транзисторов. Ч
Последовательно подавая на вход комплиментарной пары низкий (логический 0) или высокий (логическая I) уровень напряжения, можно составить таблицу входных и выходных данных для такого элемента. Покажем с помощью программы Micro-Cap, что эта таблица будет таблицей истинности элемента НЕ.
В качестве элемента И-НЕ используем цифровую микросхему. Элементы _кнх микросхем имеют два, три или четыре входа и выполняют над входны-цм данными операцию И с последующим изменением результата на противоположный.
На рис. 11 показан пример микросхемы изготовленная на основе КМОП-структур (К561ЛА7). В одном корпусе размещаются четырех логических элемента И-НЕ. Элементы работают независимо друг от друга, хотя име-обшис шины, к которым подключают источник питания. Каждый логический элемент имеет два входа и один выход.
♦ 5В
Рис. 11
Назначение выводов данной микросхемы.
1 и 2, 4 и 5, 8 и 9, 12 и 13 — соответственно входы логических элементов;
3, 6, 10 и II — выходы логических элементов.
К выводу 14 подключают питание микросхемы. Вывод 7 является общим.
Последовательно подавая на входы одного логического элемента этой микросхемы низкий (логический 0) или высокий (логическая 1) уровень напряжения, можно составить таблицу входных и выходных данных для такого элемента. Покажем с помощью программы Micro-Cap, что эта таблица будет таблицей истинности элемента И-НЕ.
В качестве элемента ИЛИ-HE используем цифровую микросхему К561ЛЕ5 (рис. 12). Элементы этой микросхем имеют два входа и один выход. Над входными данными выполняется операция ИЛИ с последующим изменением результата на противоположный. |
Рис. 12
160
1 Лиаи £ЛЫ<ЛЧ/Г<< fftz 1_Z Л JL4
Выберем первый логический элемент (входы-1,2 и выход-3). Последов, тельно подавая на входы этого логического элемента низкий (логический «к уровень напряжения или высокий (логическая 1) уровень напряжения, мохцд, составить таблицу входных и выходных данных. Покажем с помощью про., граммы Micro-Cap. что эта таблица будет таблицей истинности элемещ*1 Il.il И-НЕ.
Для визуального наблюдения уровня выходного сигнала будем использо. вать световой индикатор (Led). Когда он загорается красным цветом (высокий уровень), то это соответствует логической 1. Когда он остается белым (низкий уровень), то это соответствует логическому 0.
Входные сигналы будем формировать с помощью «механических» клк>.>
чей. Ключ подключающий шину -5 В подает сигнал логической 1. Ключ, коммутирующий землю или не дающий подключения к шине +5 В, подает сигнал логический 0.
4.1 Запуск программы схемотехнического 11
моделирования Micro-Cap JI
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap В
C:\MC8DEMO\mc8demo.exe
или
ПУСК\Все программы\Мюго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 13) собрать схему логического элемента И (рис. 7), состоящую из двух «механических» ключей, резистора, светового индикатора, источника питания и земли. J
Рис. 13
^^9949^999^9 1 rx XX
4.2 Сборка схемы
4.2.1 Ввод источника питания
Ввести источник питания VI 5 В (Battery) (V = 5).
Откройте меню Componcnt\Analog Primitives\ Waveform Sources и выберите Battery (рис. 14).
Лгф<с С0Т1
О Micro-Cap 8 1.1.0 Evaluation Version - [CAMC8DEMO\da!a\clrcuit2cir] CcTonrt
2 Reefer 3NTC2
4 МОГ2
5 МЛ
€ A.'wMed чгсг 7?4Х EYxLTfer
ОДЛРППМ!
Cajta Иу<У Afimjxn
Ржэуч ComXnem
SGtoloJ
ССНЮ5
Ми. л РЫ
Рис. 14
Курсор примет форму графического
изображения батареи напряжения.
Поместите его на рабочее окно. Зафиксируйте это положение, щелкнув левой
клавишей мыши. Появится окно Battery. Введите 5V в окне Value, в окне Show установите галочку (рис. 15).
Ене. 15
6>в« ->ЛЛ
162
1.1вва первая, UUUiUHUt лиииршпирпюл. рииит ни илц
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника времени (рис.
16).
На от
Рис. 16
Закройте (рис. 15).
это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку ОК
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 17). 'Л
Установите землю, снизу от источника VI (рис. 18).
П Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Verilon * [C:\MC6DEMO\data\circuit2.cir] Component
Wndcws Optcns Analysts Design МхИ Нф
KnJog Ltrary
Digtai Primrves
Ltrary
Anmaocn
End Сэпрсоа-it CCi+Shft+F
[Battery
2 Jumper
3 Resister 4Nar»d2
5 Nor 2
6 7426
7 Anmatcd Meter
8 7400
9 Inductor
0 Ground
P nA
•4»
Ракме Components Active Devices Wavefam Sources FuxDon Sources Lao&e Sources
Z Transform Soirees
мэао$
Subckts
Conrectas
S*4>5
Soeaal Purpose
N-Port
Ground
Jumper Jumper?
I Jumdagl
VI 50
Апфд Рп-по/еч
Рис. 17
Рис. 18
лаооратор пая раоота ./у? 11
4.2.3 Ввод резистора
Ввести резистор Rl = 1 кОм.
Откроите меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выбери-TS команду резистор Resistor (рис. 19).
Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите еГо на рабочее окно вохте источника и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Resistor (рис. 20).
В окне Value введите значение сопротивления Ik (I кОм), установите галочку У Show и нажмите кнопку ОК.
( I Micro Cap 8 110 Evaluation Version - [C \MC8DCMOlda1a\clrcuit2 cirj
* л- ve Con'Ccrvrts
Pejtstx
vufcg Jxary OXJ =Timthe Ojtai -Crary AnimaOor
Find Component
Artj.e Peaces warden» Sxrces Fuxtxon Soaces Ljp*:e Source* Z Transform Souce$
IGrotnd 2 Battery 3 Jumper 4=.e$etor S’tnd? 6 4x2 7 7426
Macroe
Sjbcxts Corrector*
SMPS
Scecui-‘upose
Wort
blxtrr
Diode тите
CMS
Trars former К
Zerer
Hzc» нит
8 *nr-aeec reter
9 7400
0 Inductor
Mrr.s Fh
Рис. 19
Рис. 20
6*
4.2.4 Ввод ключей
Ввести два ключа S1 и S2 (Switch).
Откроите меню Component\Animation и выберите команду ре. zknimated SPST Switch (рис. 21).
Курсор примет форму ключа. Поместите его на рабочее окно возле стора и щелкните левой кнопкой мыши Аналогично введите второй (рис. 22).
П Micro-Cap 8 1.1 0 Evaluation Version • (С \MC80EMD\data\ctrcutt2.dr]| Compere*
Лг*Л5 Ltrary
OrjWPnmc*’es
Осэхм ал*/ж Оеэдп нф _ ь •
Рис. 2!
Switch?
R1
1к
— V1
5В
Рис. 22
Заметим, что надписи Switchl и Switch! можно легко заменить на S1 и S1 Для этого достаточно навести курсор на надпись Switchl, два раза шелкНЯ левой клавишей мыши и ввести текст S1.
4.2.5 Ввод светового индикатора I
Ввести красный световой индикатор (Led). I
Откроите меню Component\Animation и выберите команду резисТЙ
Animated Analog LED (рис. 23). I
Курсор примет форму лампочки. Поместите ее на рабочее окно. праМ резистора (рис. 24).
iiwvjfuinvpnwi V 1 Л
1OJ
дпяЬо Pmrves
АпзЬ? Ltrry Ojtat prroxes O^tJLtrary
Cap 8.1 -1 ° Evaluation Verdon • [C:\MC8DEM0\daU\circuHZ.c
Ссипро^-
'Мхкял Ws*. Ачзгуге Эеидп мхИ нср
an'iutxjn
₽nd Cor pcoarw
GT+ShA+F
A-wr 4tcd U JC3 L£D Aremsted fcjUSaEh лэт ffrJ DPS" SHtch
iPesstcr
riA
3 Ground 4Eattey Simper 6Mand2
7 Nor 2
8 743S
9 Annatec Meter 0 700
to
Рис. 23
AnrMted Meter *птме3йему An ma ted Seve । Segnex Anmated SPCT Swtcn AnmetedSPSTS*<cr Anmated Tr.3#T<
Рис. 24
Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно .Animated Analog LED. Выберите в окне Value, красный цвет (Red). В окне LED Color нажмите кнопку Edit. В окне Ion введите 0.012 (рис. 25).
Рис. 25
Нажмите кнопки ОК.
4.2.6 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопку йвода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку Мыши, «прочертите* соединяя необходимые полюсы элементов.
166
Глава первая. Описание лаоораторных раоот по и/ц
Лабораторая работа Ns 11 (часть 1)
Исследование на ЭВМ цифровых логических элементов
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.hewmail.ru/) файл L1I_1.CIR (File\Open...) (рис. 26). Я
4.3 Исследование логических элементов I
4.3.1 Составление таблицы истинности для элемента И
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Составить таблицу истинности для элемента И, который моделируется двумя последовательно соединенными «механическими» ключами (рис. 26> Дтя этого в меню Analysis выберите команду динамического режима по постоянному току Dynamic DC... (рис. 27). Я
О Micro-Сяр 8 110 Evaluation Version • (С \MC8DLMO\DATA2\l 11_1 Ой]
Че Е-х ул-d.r.
ywrcDC Deegn мобе
* Ovnrm. ЭС
Исследование на ЭВМ ( Analysis \ Dynamic DC...)
V-m— ar j: ^5
SensOvCy M *♦6
Trane#?» Ftmon
caxreorv. *•8
P-ot» trareent
P-XeaC C¥MM*2
P-XeDC_
S«-1
Воход V"
R1
1К
Вход S1 kS1
Вход S2 $2
Красный *1
Белый • "О’
VI 5V
Рис. 27
лабораторная работа №11
167
На экране появиться окно Dynamic DC Limits, в котором отожмите кнопку pQode Voltages и нажмите кнопку ОК (рис. 28).
Рис. 28
Замыкая и размыкая ключи, двойным щелчком мыши, записать их состояния (замкнут — I, разомкнут — 0) и уровень выходного сигнала (красный — 1. белый — 0) светового индикатора в таблицу 2. Убедиться, что полученная таблица есть таблица истинности элемента И.
4.3.2 Составление таблицы истинности для элемента ИЛИ
Аналогично предыдущему пункту составить таблицу истинности для элемента ИЛИ, который моделируется двумя параллельно соединенными «механическими» ключами (рис. 8).
Полученные данные занесите в таблицу 2. Убедиться, что полученная таблица есть таблица истинности элемента ИЛИ.
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L1I_2.CIR (File\Open...) (рис. 29).
I Micro-Cap 8.1.1 О Evaluation Version • (С \MC806MO\DATA2\L11.2 CIHJ
Ц Ed: QpOnj OyrarrcDC УосН bet
p н e a a -» * e x *• . < -ко-«» * ♦ g ei »
V^'T.-LX «8-Р 1 W|Ra«XW x X C XIS a ’• 3 4
Лабораторая работа № 11 (часть 2)
Исследование на ЭВМ цифровых логических элементов (Analysis \ Dynamic DC...)
Рис. 29
/Од
4.3.3 Составление таблицы истинности для элемента НЕ ( NPN- транзистор )
Аналогично предыдущему пункту составить таблицу истинности для Л мента НЕ, который моделируется с помощью транзисторного ключа (рис 9*С
В качестве ключа выбрать биполярный п-р-п транзистор 2N22I8 Для ait го откройте меню Component\Analog Primitives\Active Devices и выберите v манду транзистор NPN (рис. 30).
Курсор примет форму транзистора. Поместите се на рабочее окно '
щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно NPN Transistor марку транзистора 2N2218 и нажмите кнопку ОК (рис. 31).
!’1и>еритс
I J М>сга-Сар в 1 1 О Сга!ыа1м>п Vm»©n - (С \MCBOEMO\DATAZU 1I_J Qfl) [ЭДЗЕ1 eocTocrwnt - ' . rx.Llii'_______
Anstoguray
DotJltrTY
•птлг
'«=»*« *- mpcnerfc •
*• five Owes
>c к •
Лабо|
И сел • с *• <
(Anal
kVrvHonr SOJOtt »
Wn 5OF« *
-<4»сеЗом«» •
Z TrreVm Sources »
1»4»ХГ
• Ллт AeJ Andug Ж) 3ArmniKJ9’STSw**> «(jrozr
SBjcwy
6 Jumper 7ЙЮО2
В Nor 2
9 7426
OArenMeJMeW
К*СГС4
Subda
Sfsoa <\гр_«ав
NF0C
ыход ИНЕ”
расный = '1 лпми =
IMS
РЧЭ5
owes
KJET PT₽T Opmp €M5=ET
1Х
Рис. 30
NPN:N₽N Transistor
Г>Л JГ4П
•JP ItS
Рис. 31
Лабораторная работа 11
169
Соберите необходимую схему эксперимента.
убедитесь, что включен динамический режим по постоянному току, в (=ню Analysis стоит галочка на против команды Dynamic DC... (рис. 27).
' Замыкая и размыкая ключ S1, двойным щелчком мыши, записать его состояние (замкнут — 1, разомкнут — 0) и уровень выходного сигнала (красой — I, белый — 0) светового индикатора в таблицу 1. Убедиться, что полученная таблица есть таблица истинности элемента НЕ (NPN).
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл LI 1_3.CIR (Filc\Open...) (рис. 32).
П Micro-Cap 8 1.1.0 Evaluation Vernon • [С AMC8DEMO\DATA2\L11_3.CIRj
£< Fie E-it Component Qpiwns DynarruzDC Mc-Jd Нф
□ eg И 9 > Ql j I pt X
!Г-тт\й’Р i =t x e"+:;>ПО меча ~ < «
Лабораторая работа № 11 (часть 3)
Исследование на ЭВМ цифровых логических элементов
(Analysis \ Dynamic DC...)
4.3.4 Составление таблицы истинности для элемента НЕ
(DPMOS, DNMOS)
Аналогично предыдущему пункту составить таблицу истинности для элемита НЕ, который моделируется с помощью двух КМОП транзисторов Фис. Ю) ,
В качестве ключа выбрать транзисторы 2SJ102 и 2SK35I. Для этого от-*Р°йте меню Component\Analog Primitives\Active Devices и выберите команду Фанзистор DPMOS (рис. 33).
г Курсор примет форму р-канального транзистора. Поместите ее на рабочее и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно DPMOS. Выберите ^Рку транзистора 2SJ102 и нажмите кнопку’ ОК (рис. 34).
Аналогично введите n-канальный транзистор DNMOS 2SK351. Соберите е обходимую схему эксперимента.
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
170
Micro
1.1.
Evaluation
Version
(С
\MC8DEMO\DATA2\L11
OR)
(YA'l
Waveform >xr:«
Ftncocn Souces
L<*ac* Scuces
Og’ji Лхагу
Arvr.aoon
»
>
>
Рис. 33
Z Ttntfor r Seven
Depenoerc Sxroes
Macros
SLOCktS
Ccmntcrs
SMPS
Specie Pupose
N^ort
«•1
V1 5V
О-а:у>
Pt/»
nos
ROS
0JF5T
Opamo
GMtf€T
ПК4
И/4
E
Рис. 34
4
0
4
»
*
>
Убедитесь, что включен динамический режим по постоянному току. ’ меню Analysis стоит галочка на против команды Dynamic DC... (рис. 27).
Замыкая и размыкая ключ S1, двойным щелчком мыши, записать его состояние (замкнут — 1, разомкнут — 0) и уровень выходного сигнала (крас* ный — 1, белый — 0) светового индикатора в таблицу 1. Убедиться, что поЛУ*. ченная таблица есть таблица истинности элемента НЕ (DPMOS, DNMOS). 4
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебной процесса (http://frisk.newmail.ni/) файл L11_4.C1R (File\Open...) (рис. 35). Я
Лабораторная работа № 11
171
Лабораторая работа № 11 (часть 4)
Исследование на ЭВМ цифровых логических элементов
(\ Dynamic DC..-)
4.3.5 Составление таблицы истинности микросхемы И-НЕ
Аналогично предыдущему пункту составить таблицу истинности для элемента И-НЕ, который моделируется с помощью микросхемы И-НЕ (рис. 4, II).
В качестве микросхемы выбрать двухвходовую цифровую микросхему И-НЕ (Nand2). Для этого откройте меню Component\Digital Primi:ives\Standard Gates\N'and Gates и выберите команду цифровая микросхема NandZ (рис. 36).
•р 8 1 1 О Evatuabon Vrrvon • |C:WCBDEMOUa'pWteeull> ck]
□gWLtrary vwnieon
AndogMnrvej
Tn-Statt Gates Eoge-Tnggered F^-Aoos Gated FV^oceAJtoes
» a|3m^q:~ = p g
And Gates
ВЛеп trvetrs
IRmtcr
2 AnmMBC AnHog LED Э Anmatec SPST SaatT «Grand
Deteyine
Prop** TKte Lfrjc ATTPfS
5 Batter
6 Jurepcr
6Ncr2
Cense Arcs
AtoD Coverters
DtoA Covvters
SttrrxAjB Genveters
9M2S
CatwmqcC Meter
Рис. 36
172 Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Курсор примет форму микросхемы (четырехугольник с тремя выводам^ Цепь питания и земля нс показаны. Поместите ее на рабочее окно и щелкни те левой кнопкой мыши. Появиться окно Nahdl. Выберите марку микросхем DLY_TTL и нажмите кнопку ОК (рис. 37).
Рис. 37
Составьте необходимую схему. Для соединения проводников понадобиться перемычка (Jumper). Для этого откройте меню Component\Analog Primi(hes\Connectors и выберите команду транзистор Jumper (рис. 38).
Убедитесь, что включен динамический режим по постоянному току, в меню Analysis стоит галочка на против команды Dynamic DC... (рис. 27).
11 Micro-Cap 8 1.10 Evaluation Version - (C \MC10EMO\daU\c»rcu1tJ cir]
лпхх ососл* D-эдп н<.
Ltrjry
OQtalhury лпта-юп
CDMporwl
OUST*-*
1 fenster
2 дг*ыавалл*>д1ЕО
3Arww«3SPST S-rxti
5 Battery
Carnet tvs
7HsrwC
BNV?
S>7<*
О K'wr abed Meter
Э4>5
Specif H/pose
H4=ort
Passive Сомоогвпа
^JTrynSOJi*!
Lapace >xrces Z Tr arrtrm Sorcei Da>rx>rt Sxroet Macros
SLDO3
] Vrda;l
Grxnj
ATMioq Pnnors
Г ЩД Pi В
Рис. ЛЯ
Лабораторная работа №11
173
Замыкая и размыкая ключи S1 и S2, двойным щелчком мыши, записать состояния (замкнут — 1, разомкнут — 0) и соответствующий уровень вы-11\>|Ого сигнала (красный — 1, белый — 0) светового индикатора в таблицу 2. убедиться, что полученная таблица есть таблица истинности элемента И-НЕ.
(3 Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DLMO\DATA2\L11_5.ClR]
Е*? &Л Gz-mporerc Ard:c Зрохс v^r/ж mw эф
Лабораторая работа № 11 (часть 5)
Исследование на ЭВМ цифровых логических элементов (Analysis \ Dynamic DC...)
Вход S1
/ S=-0-
Вход S2
S2
и 1 Выход "И-НЕ"
“rV1
5V
&
Ledl
R1
1K
Красныи = *1
Белый = “О*
Рис. 39
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл LI I 5.CIR (File\Open...) (рис. 39).
4.3.6 Составление таблицы истинности микросхемы ИЛИ-НЕ
Аналогично предыдущему пункту составить таблицу истинности для элемента ИЛИ-HE, который моделируется с помощью цифровой микросхемы НЛИ-НЕ^рис. 5, 12). |
В качестве микросхемы выбрать двухвходовую цифровую микросхему "ЛИ-HE (NOR2). Для этого откройте меню Component\Digital Primitives\ Standard Gates\Xnor Gates и выберите команду цифровая микросхема NOR2 'Рис. 40).
Курсор примет форму микросхемы (четырехугольник с тремя выводами). Цепь питания и земля не показаны. Поместите ее на рабочее окно и шелкни-левой кнопкой мыши. Появиться окно NOR2. Выберите марку микросхемы и°-ЛАТЕ и нажмите кнопку ОК (рис. 41).
Составьте необходимую схему. Выделите старую микросхему и удалите ее звищей Del. На освободившееся место установите микросхему ИЛИ-НЕ.
Убедитесь, что включен динамический режим по постоянному' току, в ейЮ Analysis стоит галочка на против команды Dynamic DC... (рис. 27).
Замыкая и размыкая ключи S1 и S2, двойным щелчком мыши, записать их °етояния (замкнут — 1, разомкнут — 0) и соответствующий уровень выходно-
«ЛИОН Hlf/оил. 1/HNK.WrtHt /lUl/U^W/li/J/nCNA ^/urzi/rri HU VZ Л 1Д
IP 8 1.2.2 Evaluation Verbion • (CAOocuments and SettinpVUerXMoH докумемтьАМуОСС]
I Сегц/илг
УЛТкян Ocflors VMS O»^ Modd
•лео-з Рип^кез
•nJogLbrMV
(XXJHwfc*
Oqttlbrw
VrnaOon
COWKTW4 C7»-SWt*» l!
Ifcor?
*гл«гк
~'-SUte Gates
Pi{<,PAt*x
Ом/lne ^>7 jr r^tie .09c Arrays
] V*GM
►I кЛп
» IfNWW
• SfdGra •
Or Oates
>cr Ore
Рис. 40
Nori
Source Goba. I bra'/ located st C'MC£DEMCM.t.er/,D.GlC L E
ТРЩМЧ jo TFtHTV Jn -РЬНЧ' fo
TPHJ4N |d TPH.’V |d ТХЧК |o
)
Рис. 41
го сигнала (красный — I, белый — 0) светового индикатора в таблицу 2. У®6' литься, что полученная таблица есть таблица истинности элемента
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки },чебноги процесса (http://frisk.ncwmail.ru/) файл LII 6.CIR (File\Open...) (рис. 42). Ж
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить полученные данные с данными, полученными в прсдварИТвЯ ном расчете. Сделать выводы.
Лабораторная работа №11
175
MMicroCap В 1,1 О Evaluation Verb io л * [С \MC8DEMO\DATA2\L11_& C1R]
$И Эе ЬЖ Comccrax ДООсмв QpOacs Qesgn Mode н<
О»'ИВвВ • • p - -»- - •--<. +: t> о •
V-Tiyg-P I - -1 rH»QPX'g.:t^?
Лабораторая работа № 11 (часть 6)
Исследование на ЭВМ цифровых логических элементов
(Analysis \ Dynamic DC...)
Рис. 42
6 Вопросы для самопроверки
1. Какие устройства называют цифровыми?
2. Сколько существует логических функций одного и дух аргументов и как они называются?
3. Какие логические элементы выпускаются в Blue цифровых микросхем?
4. Какие значения принимают логические функции и их аргументы?
5. Объясните принцип работы цифровых элементов на основе МОП -транзисторов?
7 Содержание отчета
. „ТА MS Word Шрифт Times New Roman 14, Отчет оформляется в формате MS .
полуторный интервал. должен содержать следующий ма-
Для защиты лабораторной Ра^™ п,ч....ьтаты машинного эксперимента, ^Риал. титульный лист; цель раооты, р - ету должны быть приложе-Фафики исследуемых зависимостей; вы _ ответы на них.
ны в напечатанном виде вопросы для самопроверки
8 Литература
I- Фриск В. В. Основы теории цепей. М.: РадиоСофт, 2002. 288 с.
Сп„ Шило В. Л. Полупроводниковые цифровые микросхемы. М.: Радио и Вязь, 1988. 352 с.
ь 3. Юшин А. М. Цифровые микросхемы для электронных устройств. М.: ЧсШая школа, 1993. 176 с.
Лабораторная работа № 12
Временная дискретизация аналоговых сигналов
1 Цель работы 1
С помощью программы Micro-Cap осуществить дискретизацию различных аналоговых сигналов.
2 Задание для самостоятельной подготовки I
Изучить основные положения теории цепей о дискретных сигналах стр. 267—271 |1], стр. 512—515 [2] и стр. 4—8 [3]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки. - Я
3 Предварительный расчет I I
3.1. Провести дискретизацию аналогового сигнала с линейно изменяющемся напряжением (рис. 1), определяемого соотношением u,(t) = 4t В на отрезке t е [0, 1] мс, при к = 0, 1. .... 10 — номера отсчетов. Интервалы между моментами времени брать одинаковыми.
Полученные данные занести в таблицу 1. и
Построить график данного дискретного сигнала. 1
Рис. 1
Лаоораторная ропота jys /z
ii /
3.2. Провести дискретизацию аналогового единичного сигнала (рис. 2), -е^еляемого соотношением u2(t) = 1 на отрезке t ет |0, 1] мс, при к = О, ю _ номера отсчетов. Интервалы между моментами времени брать Знаковыми.
Полученные данные занести в таблицу 1.
Построить график данного дискретного сигнала.
3.3. Провести дискретизацию аналогового экспоненциального сигнала . )С з), определяемого соотношением u3(t) = ехр(—4 • 10?г) В на отрезке t е [0, I] мс. при к = 0, I, .... 10 — номера отсчетов. Интервалы между моментами времени брать одинаковыми. ,
Полученные данные занести в таблицу 1.
Построить график данного дискретного сигнала.
3.4. Провести дискретизацию аналогового двухполупериодного сигнала (рис. 4), определяемого соотношением u4(t) = | cos(2nft) | В на отрезке t е [0, 1] мс, при к = 0, 1, ..., 10 — номера отсчетов, f = 1 кГц — частота аналогового сигнала. Интервалы между моментами времени брать одинаковыми.
Полученные данные занести в таблицу 1.
Построить график данного дискретного сигнала.
3.5. Провести дискретизацию аналогового косинусоидального сигнала (рис. 5), определяемого соотношением u5(t) = cos(2nft) В на отрезке I е [0, I]
/ /о
i AUtfU пкуоил, i/rmvu/iHt .iMt/Lry/u/ю vzл Ц
10 — номера отсчетов, f = 1 кГц — частота аналоговом
мс, при к = 0, 1
сигнала. Интервалы между моментами времени брать одинаковыми.
Полученные данные занести в таблицу 1.
Построить график данного дискретного сигнала.
Таблица /
По предварительному расчету
k Hrfk) «5»
1
I 2
Г ~ ~ 3
4
5
6
| 7 .. - I
I 8
I 9 •
10
4 Порядок выполнения работы
Процесс замены аналогового сигнала его дискретными отсчетами обычно через равные промежутки времени, называется дискретизацией сигнала по времени. '
Отсчеты дискретного сигнала определены для дискретных значений независимой переменой времени и представляются последовательностью чисел. Такую последовательность чисел можно записать в следующем виде
u(k) = {u(k)} = {..., u(—2), u(-1), u(0), u( I), u(2), ...}, < k < oo.
лабораторная раоота Л9 и
179
Дискретный сигнал обычно изображают в виде следующего графика (р1 ^заметим, что дискретный сигнал u(k) определен только для целых значе-Й к. Для не целых значений к дискретный сигнал не определен.
И Например, дискретный единичный импульс (рис. 7) определяется следующей формулой
б,(к) =
1, к =0;
0, к * 0.
Дискретная единичная дуюшим образом
ступенчатая
функция (рис. 8) определяется сле-
Кк) =
и
и(0>
м(-2>Т
и(1> ♦ ч(2)
L3 4 -2-1012
тт^ U(3)^
U
11
к > 0;
к <0.
1,
0,
-2-1 0 1 2 3 4
Рис. 7
-2-1 0 12 3 4
Рис. 8
Рис. 6
Интервал времени Т. через который берутся отсчеты аналогового сигнала, называется интервалом дискретизации. Величина = 1/Т называется частотой дискретизации. Значения дискретного сигнала в тактовые моменты называются отсчетами или выборками.
Если частота дискретизации достаточно большая и превышает частоту аналогового сигнала, то дискретные отсчеты позволят правильно восстановить аналоговый сигнал (рис. 9).
Если частота дискретизации небольшая по сравнению с частотой аналогового сигнала, то в этом случае дискретные отсчеты могут не позволить правильно восстановить аналоговый сигнал (рис. 10). “wR! £'
Рис. 9
Рис. 10
ISO Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Если частота аналогового сигнала значительно больше частоты дискрету, зации, то наблюдается эффект ложной частоты (рис. 11). «В
Рис. п
Как видно из этих графиков, неправильный выбор частоты дискретизации аналоговых сигналов может привести к потери информации, поскольку дискретный сигнал не учитывает поведения аналогового сигнала в промежутках между отсчетами. NИ
Для правильного выбора частоты дискретизации следует использовать теорему Котельникова. Аналоговый сигнал, не содержащий частот выше Fmax (Гц), полностью определяется последовательностью своих значений в моменты времени, отстоящие друг от друга на 1 /(2Fnvj<). Я
Так в современных цифровых аудио системах частоту дискретизации выбирают с запасом по отношению к теоретическому пределу слышимости в 20 кГц. В таких системах частота дискретизации равна 44,1 или 48 кГц. 1
В студийной аппаратуре обычно используют частоты дискретизации 56, 96 или 192 кГц. Это делается для того, чтобы сохранить не воспринимаемые человеческим ухом высокочастотные гармоники звукового сигнала, которые вносят заметный вклад в формирование общей звуковой картины. Частоту дискретизации для телефонных сигналов выбирают равной 8 кГц. J
Получить дискретный сигнал из аналогового сигнала можно применив принцип импульсной амплитудной модуляции. Импульсный модулятор можно представить как умножитель с двумя входами и одним выходом. . <
На первый вход импульсного модулятора подается аналоговый сигнал, подлежащий дискретизации. На второй вход последовательность коротких синхронизирующих импульсов, следующих во времени через равные промежутки времени Т (интервал дискретизации). J
На выходе образуется дискетный сигнал, величина выборок которого будет пропорциональна величине аналогового сигнала в точках отсчета (рис. 12).
Математическая модель дискретного сигнала может быть записана в следующем виде
u(kT)= £u(nT)-5,(kT-nT), 1
п»-х
к = n; I
, к * п.
где 5,(кТ - nT) = Р’
Лабораторная работа № 12
181
импульсной синхронизаци
„1ВДИШ
Рис. 12
Заметим, что все члены данной суммы при п * к равны нулю.
Получим из аналоговых сигналов их дискретные аналоги с помощью ЭВМ.
4.1 Запуск п(
граммы схемотехнического
моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
С:\М С8 D Е М O\mc8demo.exe
или
ПУСК\Все программы\М!сго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 13) собрать схему импульсного амплитудного модулятора (рис. 12), состоящую из двухвходового умножителя, источника аналогового сигнала, источника синхроимпульсов и земли.
Рис. 13
/<5Z
lлава первая, описание лабораторных раоот по ши
4.2 Сборка схемы I
4.2.1 Ввод источника аналогового сигнала I
Ввести источник с линейно нарастающим напряжением u(t) = 4t (El).
кройте меню Component\AnaIog Primitives\Function Sources и выберите NF1 (рис. 14).
П Micro-Cap 8.1.1 0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\data\circuit2.cir] Comporen:
wrdcws Opxns Analysis Design Mc<to Het>
Че Ed:
An Jog Rnmdves
AnJog Ltrar/ Ojtal Pr owes Dotal Ubrgry ArwnSOOT
-rd Ccmocren:
CtTi*Shft*F
Z Transfer -n Sources
Function Sources
Passh/e Components
Active Deuces
Wavefcr m Sources
МПов MTIdV MTVcfl NTVctV
IDCock
2 Amp
3 Ground
4 Sne Source
5 MJ
SResfcter
7 Stir 1
8 Animated AnJog LED
9 Anmated SPSTSwtzh
0 Battery
Mac-os
Subdcts
Ccmectcrs
94FS
Special Purpose
N-PCTt
Plus
Рис. 14
Курсор примет форму графического изображения источника напряжения Поместите его на рабочее окно. Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно NFV. Введите 4*t в окне Value, в окне She установите галочку (рис. 15). v
Рис. 15
Лабораторная работа Л<? 12
1S3
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на ,нОпкс Plot Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени (рис. 16).
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку ОК (рис. 15).
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 17).
Установите землю, снизу от источника Е1 (рис. 18).
I Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC80EMO\data\circuit2.cir] - Component
Wrxbxs Сроете A'larfysC Ces-zr мхи hep
О - Q 9
| Arafoq Fnmcves 1
AnabaLtrary ►
DQta PnmKjves ►
DQtaLtrary >
Anmazcn ►
Frd Compcnert Ctr1*3Tft*F
Passive Сотрогепз Kctr»e Deuces Waveform Sources плсзоп Soirees Lapace Sccrces
Z Transform Soirees
1 Ватгг^
2 Jumper
3 Resistor 4Mrdz
5 Nor 2
6 7425
7 Artmatec Meter
3 7400
9 Inductor
0 Ground
PrA
Maaes
Subdts
Connectors
► • Grand
SMPS
Spee^ Purpose
N-Pcrt
Jumper
Jumper?
1 Jumdagl
E1(NF
Рис. 17
Рис. 18
184
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
4.2.3 Ввод умножителя сигналов
Ввести умножитель XI.
Откроите меню Component\Analog Primitives\Macros и выберите команду резистор Mui (рис. 19). Я
t-J Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version * [C:\MC8DEMO\data\clrcult2.cir]
Compo'r=nt
Wndows Opocns Analyst Deagi Mo3d Нф
□ £ Q 9
? Ж A Dipta' Pnmitr/es
Digtai Ltr-ary >n ma ton
Pnrr fives
Frd Cor pcnert
Ori+S-ift+F
Passive Components Ai bve Dew-es Waveforn* Soirees Fincton Soirees
Laplace Sxrces Z Transform Soirees
Cepercfort soirees
o: sn%t(
IhFV
2 Ground
3DCbck
4 Amp
5 Sre Soiree
6MJ
7Restsror
esami
9 Anmaird АтФд LED
0 Anmaied S=ST Switch
Macros
SubckB
Connectors
Speca Purpose report
555 AfcS AM Amp Certo
Comparator
РюС
FSK
Gyrator
Кка.ТКтЕ?
IdMLTtansS
I
Рнс. 19
Курсор примет форму умножителя (круг со знаком умножения и с тремя выводами). Поместите его на рабочее окно, вопе источника и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Multiplier Macro (рис. 20). >
Нажмите кнопку ОК.
Рис. 20
1вз
4.2.4 Ввод источника синхроимпульсов
Ввести источник синхроимпульсов с тактовым периодом Т = 0.01 мс /|-д= 100 кГц) и амплитудой узких импульсов 1 В. Данный источник будет состоять из генератора импульсов DCIock (Х2) и усилителя Amp (ХЗ).
Откроите меню Component\Digital Primitives\Stimulus is Generators и выбе-
рите команду резистор DCIock (рис. 21).
>301 ЛХЗГУ АПГТаОС-Г.
Rnd component ст ♦shit*-
1HJ
2NFV
3 Gr XTd
4DCkxx
5 Amp
6 Sine Source 7=iessxr SSoml
9 Ar*rr.jted Araog LED 0 Arwnated SPSr Switch
»i Tn-State Gates *
»• Eoge-Trig^ered Rpxloc-s *
Gated FJp-Fbc.sA_3tc-»es *
FiAps^xfctowrs *
j Delay Lne *
i Ft ogr art-naote Lo^c Arrays *
,09c Expressen ►
=rt Delay *
Lints rants ►
AttO Converters ►
DtoA Converters ►
Sum Jus Generators » I CCkxk
Stim?
Stin4
sone
son 16 I PCfemi
Рис. 21
Курсор примет форму генератора импульсов. Поместите его на рабочее окно, под источником Е1 и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Digital Clock Macro (рис. 22).
Рис. 22
186
Глава первая. Описание лабораторных работ по О1Ц
Для генерации узких синхроимульсов (рис. 23) задать временные парам^ ры следующими: (
Param:Zerowidth = 0.01 m,
Parain:Onerowidth = 0.001 m. *
Zerowidth ~ Prerow id th 0,01 mc 0.001 mc
Рис. 23
Ввод осуществляется в окне Value.
Нажмите кнопку ОК. И
Дчя того чтобы на второй вход умножителя поступали синхроимпульсы с амплитудой 1 В, последовательно с генератором включить усилитель с коэффициентом усиления 0,2 (GAIN = 0.2).
Ввести усилитель Amp (ХЗ).
Откроите меню Component\AnaIog Primitives\Macros и выберите резистор Amp (рис. 24).
команд)
П Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMOXdata\ctrcult2.ctr]
3 »' и м
.vnl*r Opoore Analyse De»jn
PG
Мзгго$
StCxfcB
Correctors
Speoai Кгрхе
KcFort
Components »
Active Dew® •
Waveform Sources •
FurcDcn Sources •
LJpiac* Sources • Z Transform Sorces »
Sources •
Рис. 24
АЬЗ
♦*
Amp
Comparwcr
t>v
Курсор примет форму усилителя (треугольник с двумя выводами). Поместите его на рабочее окно, рядом с генератором Х2 и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Amplifier Macro. Введите значение коэффициента ус>4 ления 0.2 в окне Value (рис. 25).
Нажмите кнопку ОК.
лаоорапюрная раоота 12
187
Рис. 25
4.2.5 Ввод проводников
Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку мыши, «прочертите* соединяя необходимые полюсы элементов. Нажмите кнопку Node Numbers для нумерации полюсов схемы (рис. 26).
О Micro-Cap 8.1 1.0 Evaluation Version - [C:\MCBDEM0\data\circuil2
"fe Edt Component Windows Coocns Ana'/se Des>gi Model 4ф
D В M ** Л z ле | ▼ -C ® •
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного Процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл LI2_1.CIR (File\Open..«).
188
Глава первая. Описание лабораторных раоот по ищ
4.3 Дискретизация аналоговых сигналов
4.3.1 Дискретизация линейно изменяющегося напряжения
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Построить график заданного аналогового и дискретного сигналов, этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 27). 1
Дл
Q Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Ver lion - [C :UACeDEMO\data\circuH2 cir ]
H Fie =dt Cc/nponen: windows Ooxns EQ Ц ИхМ
тга-вех.. кт* 1
«
15
те------------м.г
ОС. АЛ.Э
D,rarrcDC Alt. 4
О>г«гсАС._ Alt. 5
Рис. 27
На экране появиться окно Transient .Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемых графиков так. как показано на рис. 28. Я
Рис. 28
Time Range «1т» — временной интервал (0...1 мс).
Maximum Time Step «0.001т* максимальный шаг (0,001 мс). Я
Р номер окна «1», в котором будет построен график аналогового сигнала X Expression «t» — аргумент функции. Я
Y Expression «V(E1)» — имя функции.
Р номер окна «2», в котором будет построен график дискретного сигнала Y Expression «V(3)« — имя функции.
X Range «Auto* — интервал отображения аргумента по оси X.
Y Range «Auto* — интервал отображения функции по оси У.
Запустите построение, нажав кнопку Run. I
На экране появиться графики аналогового и соответствующего ему ЛИ^ кретного сигнала (рис. 29).
Замечание. Если кривые не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, чаю все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
Рис. 29
Данные графики занесите в соответствующий раздел отчета.
4.3.2 Дискретизация аналогового единичного сигнала
Для проведения дискретизации аналогового единичного сигнала (рис. 2 вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3.
Щелкните два раза на элементе Е1. В открывшемся окне NFV (рис. 15 нажмите кнопку Expand.... .
В появившемся окне VALUE вместо 4*t введите величину единичного сигнала 1 (рис. 30).
Рис. зв
Закройте эти окна. Нажмите кнопки ОК.
Построить график заданного аналогового и дискретного сигналов. Дт
Этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 27). На экране nos
/У(/
lAUtiU UtZJ/VU/t. VZIIMLMFIMV ?WW<zy^w«rflZJ/teMB^ *•«* к-r 4> <5
виться окно Transient Analysis Limits. Запустите построение, нажав кнопку ] На экране появиться графики аналогового и соответствующего ему диск ного сигнала (рис. 31).
Рис. 31
Данные графики занесите в соответствующий раздел отчета.
4.3.3 Дискретизация аналогового экспоненциального сигнала
Для проведения дискретизации аналогового экспоненциального сигнал» (рис. 3) вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Щелкните два раза на элементе Е1. В открывшемся окне NFV (рис. 15) нажмите кнопку Expand....
В появившемся окне VALUE вместо 1 введите формулу аналогового сигнала exp(-4E3*t). И
Закройте эти окна. Нажмите кнопки ОК. Я
Построить график заданного аналогового и дискретного сигналов. ДЯ этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 27). На экране появиться окно Transient Analysis Limits. Запустите построение, нажав кнопку КиП
На экране появиться графики аналогового и соответствуюшего ему ДйС' кретного сигнала.
Данные графики занесите в соответствующий раздел отчета. Л
4.3.4 Дискретизация аналогового двухполупериодного сигнала
Для проведения дискретизации аналогового двухполупериодного сигна-1* (рис. 4) вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. ЩелК'
Лабораторная работа Л? 12
191
тр два раза на элементе Е1. В открывшемся окне NFV. (рис. 15) нажмите Еку Expand-- .
* В появившемся окне VALLE вместо exp(-4E3*t) введите формулу анало-иого сигнала abs(cos(2*pi*t*lE3)).
закройте эти окна. Нажмите кнопки ОК.
Построить график заданного аналогового и дискретного сигналов. Для этого в меню .Analysis выберите команду Transient... (рис. 27). На экране появиться окно Transient Analysis Limits. Запустите построение, нажав кнопку Run.
На экране появиться графики аналогового и соответствующего ему дис-кретного сигнала
Данные графики занесите в соответствующий раздел отчета.
4.3.5 Дискретизация аналогового косинусоидального сигнала
Для проведения дискретизации аналогового косинусоидального сигнала (рис. 5) с частотой 1000 Гц (1ЕЗ) вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Щелкните два раза на элементе Е1. В открывшемся окне NFV (рис. 15) нажмите кнопку Expand... .
В появившемся окне VALUE вместо abs(cos(2*pi*t*lE3)) введите формулу аналогового сигнала cos(2*pi*t*lE3).
Закройте эти окна. Нажмите кнопки ОК.
Построить график заданного аналогового и дискретного сигналов. Для этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 27). На экране появиться окно Transient Analysis Limits. Запустите построение, нажав кнопку Run.
На экране появиться графики аналогового и соответствующего ему дискретного сигнала.
Сделайте вывод о возможности восстановления данного аналогового сигнала. Проверти выполнение теоремы Котельникова.
Данные графики занесите в соответствующий раздел отчета.
4.3.6 Эффект ложной частоты
Для наблюдения эффекта ложной частоты (рис. 11) увеличить частоту ко-синусоидального сигнала до 95 кГц (95ЕЗ). Для этого вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Щелкните два раза на элементе Е1. В открывшемся окне NFV. (рис. 15) нажмите кнопку Expand... .
В появившемся окне VALUE вместо cos(2*pi*t*lE3) введите cos(2*pi*t*95E3).
Закройте эти окна. Нажмите кнопки ОК.
Построить график аналогового и дискретного сигналов (при Г=0,951д).
этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 27). На экране ^виться окно Transient Analysis Limits. Запустите построение, нажав кноп-
На экране появиться графики аналогового и дискретного сигнала (рис. 32). На нижнем графике отчетливо проявился эффект ложной частоты Данные графики занесите в соответствующий раздел отчета.
Аналогично уменьшите частоту косинусоидального сигнала до 31 кГц ИЕЗ). Получите графики сигналов в этом случаи. Сделайте вывод о возмож-
Рис. 32
ности восстановления данного аналогового сигнала. Проверти выполнен, теоремы Котельникова. Занесите данные графики в соответствующий разд отчета.
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить полученные данные с данными, полученными в предварите.! ном расчете. Сделать выводы.
6 Вопросы для самопроверки Ч
1. Какие системы называются дискретными? , Л
2. Как происходит преобразование аналоговых сигналов в дискретные?
3. Что называют отсчетами?
4. Какую величину называют тактовыми моментами? if
5. Почему интервал дискретизации нельзя выбрать произвольным 1 разом? 'fl
7 Содержание отчета
Отчет
рмляется в формате MS Word. Шрифт
Times New Roman
ЗВ 13
полуторный интервал.
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий териал: титульный лист; цель работы; результаты машинного экспериме
»r ewxjx <• «Г Т2Г Л Л»
/VJ
. ики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложе-Л* „ напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них. ны в н
I. фриск В. В. Основы теории цепей. Мд РалиоСофг 2002 2ЯЯ г
Р Jo X: 2В00? J2M— В * Ь И. JJnetl м :
^оГЖои Д- П<И» М- Н U"*P°»« обработка
ЦБ
HMsqioqn oumoMQi
<ЮМИ1№ДОНОДЛ
ММ0ТО1ДОЛ йом^пггвотэомшэ .пд вьивдлЕ £
нтоф|ЭН1 о ftonau кмфют ннкажомп аЛивонэо .пм^/гН
гттп
г ИНгрэ
214
’«ГЛНТОЛЛ
«л<ом»дп
кто ог'ЭДм-жгг
о НИ ют^жонм* »п-
• jO.-nOiU» C4/.44R
а** ’2 ’’
Г'
этэмы-Jbfibt аг-умцоф arc цкУ
ОТ .ОНЖ01
7^/ Т1'» ' П
ззнЧЯ
Лабораторная работа № 13
Спектральный анализ сигналов с применением ДПФ
1 Цель работы
С помощью программы Micro-Cap получить дискретные спектры различных импульсных сигналов с использованием аппарата дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Я
2 Задание для самостоятельной подготовки
Изучить основные положения теории цепей о дискретных сигналах стр. 276-277 [1], стр. 515-525 (2], стр. 8-20, 123-133 [3], 245-277 (4] и 187-204 [5]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки. 1
3 Предварительный расчет
3.1. Найти непрерывную спектральную плотность F(jco) прямоугольного импульса (рис. 1) V
где t — время;
т = I мс - длительность импульса;
U = 4 В — амплитуда импульса.
VALUME = 4*(t< = Im) j 1
Если неравенство в скобках истинно, то четверка умножается на I. Если <
таково, что неравенство в скобках ложно, то четверка умножается на 0. J
Построить график модуля непрерывной спектральной плотности как
функцию от частоты |F(jco)|. • I
3.2. Найти непрерывную спектральную плотность FQcj) серии из трс*
прямоугольных импульсов показанных на рис. 2. I
т = 0,1 мс — длительность импульса; 4
Т = 0,4 мс — период;
U = 1 В — амплитуда импульса.
Построить график модуля непрерывной спектральной плотности как функцию от частоты |F(j<o)|.
3.3. Найти непрерывную спектральную плотность F(j<o) затухающей синусоиды (рис. 3)
u3(t) =
е 11 sinftOjt), t > О
0, t < 0
В,
где t — время;
a = 800 I/с — коэффициент;
co, = 8000 рад/с — угловая частота.
0,5
0
-0,5
-1
U3(t). S
0 0,001 0,002 0,003 t,c
Рис. 3
Построить график модуля непрерывной спектральной плотности как Функцию от частоты |F(jco)|.
3.4. Найти непрерывную спектральную плотность F(ja>) прямоугольного Радиоимпульса, образованного отрезком синусоиды (рис. 4).
rsin(a)|t), 0 < t s т,
U“ |0, 0 > t > т,
•Де = 8ооо рад/с — угловая частота;
Т| = 2л/Ш| — период синусоиды;
1VU
т = nT, — длительность импульса;
п = 3 — целое число периодов за время т. '^^В
Построить график модуля непрерывной спектральной плотности как функцию от частоты |F(j<o)|.
3.5. Найти непрерывную спектральную плотность F(jw) серии из трех прямоугольных радиоимпульсов (из трех отрезков синусоид), показанных на рис. 5.
со, = 8000 рад/с — угловая частота; ^В
Т, = 2тг/сол _ период синусоиды; И
т = пТ( — длительность импульса;
п = 3 — целое число периодов за время т;
Т = 4Т, — период.
Построить график модуля непрерывной спектральной плотности функцию от частоты |F(jco)|. ^В
4 Порядок выполнения работы
Непрерывная спектральная плотность (преобразование Фурье, интегро
Фурье) вычисляется по следующей формуле В
ОС
F(ju>) = J u(t)e*‘dt, J
—®
где F(jo>) — спектральная плотность;
Л операторная работа № 13
197
j =V-1 — мнимая единица;
си — угловая частота;
t — время;
u(t) — абсолютно интегрируемый сигнал.
Например, убывающая экспонента (рис. 6)
“<'>Чо
нй
•'г°в t <0
Спектральная плотность этого сигнала будет равна
F(jco) = f u(t)e_>ldt = I е‘ e’-^dt = —!— . о 1 +ч 1
Модуль непрерывной спектрально!! плотности как функцию от частоты буден равен
|F(jh)|=~b=.' г Ш ।
-71 + со2
Затухающая синусоида (рис. 3)
Спектральная плотность этого сигнала будет равна
F(jco) = [ uOX^dt = [ е’*' sin(<olt)e'j'“‘dt =-~---у .
-х 0 (а +» +
Модуль непрерывной спектральной плотности как функцию от частоты буден равен
|F(jco)|=-^= ==
д/(а2 + со] -со2)2 + 4а2и'
Отрезок синусоиды (рис. 4)
Спектральная плотность этого сигнала будет равна
( п2х'
F(jw) = | u(t)c'*'dt = fsin(co,t)e ^dt = ——y- l~e
i 0 (w, - co ).
198
Глава первая. Описание лабораторных работ по О1Ц
Модуль непрерывной спектральной плотности как функцию от частоту (при Ю|Т = 2лп) буден равен
I F(ja>)| =
а>.
а>, -со2
2sin — пл .
Серия из трех прямоугольных импульсов (рис. 2)
Спектральная плотность этого сигнала (по теоремам линейности и запаз-дывания) будет равна j
F(jco) = F, (jo)(l + е-*т + e-j2“T), " I
где F,(ja>) — спектральная плотность первого импульса в пачке.
Эту' же формулу можно применить и к серии из трех синусоид (рис. 5).
Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) '
В настоящее время большое значение придается цифровой обработке сигналов (ЦОС). Я
На практике вычисление спектральной плотности происходит с помощью цифровых вычислительных машин (рис. 8). 1
Рис. 8
Поэтому сигнал представляют в виде конечного числа дискретных отсчетов. I
Пусть сигнал представлен последовательностью из N отсчетов u(k), 0<k<N—1. I
Для того, чтобы из непрерывного сигнал u(t) получить отсчеты, нужно положить t = kT, где Т — интервал дискретизации во временной области (обычно эта величина постоянная и выбирается так, чтобы выполнялась теорема Котельникова); к = О, I, ..., N — 1 — целые числа. 1
Прямым дискретным преобразованием Фурье называют последовательность вида
i——nk
F(jn) = £u(k)e Jn” , n = 0, 1,..., N - 1.
k=0
Обратным дискретным преобразованием Фурье называют последовательность вида
I N-I -21 L
u<k) = iZF(jn)e'JNn , к = 0, 1, .... N— I. I
N п«о I
Определенные выше преобразования Фурье, не являются единственно возможными. На практике применяют и альтернативные преобразований Фурье. I
JlUlAJ/JUfHUpnUA pUUVlHU IJ
1УУ
Пример. Рассчитаем ДПФ дискретного периодического сигнала, заданно-ыч интервале своей периодичности шестью равноотстоящими отсчетами ГО [я₽6)
u(k) = {l, 1, 1,0, О, 0}.
Этот дискретный сигнал (рис. 9) можно выразить с помощью следующей
формУлЫ
u(k) =
1 if к =0;
1 if к = I;
I if к = 2; 0 if к > 3,
где к — 0, 1, 5.
0 1 2 3 4 5 К Рис. 9
|FGn)|j3
0 1 2 3 4 5 п Рис. 10
В табл. 1 приведены результаты расчета ДПФ и его модуля (рис. 10).
k 0 1 2 3 4 5
u(k) 1 1 1 0 0 0
n 0 1 2 3 4 5
__ w 3 1-J1.732 0 1 0 1 ♦ (1.732
IF(jn)l 3 2 0 1 0 2
Получим ДПФ для различных сигналов, с помощью ЭВМ.
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
C:\MC8DEMO\mc8demo.exe
Или
ПУСК\Все программы\М1сго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
zvu
1лава первая, описание лабораторных работ но ОТЦ
Рис. 11
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 11) соб схему состоящую функционального источника сигнала и земли.
4.2 Сборка схемы
4.2.1 Ввод функционального источника сигнала
Ввести источник (El) с формой сигнала в виде прямоугольного импульс (рис. 1). Откройте меню Component\Analog Primitives\Function Sources и выберите NFV (рис. 12).
О Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version * [CAMCBDEMOXdata\c»rcuH2.cV]
ГлТГТ”| Ompmmt
'.vnJcwH Срхга А лу-ss 3es*ji F-'cde хр
D G? Ы Н
Foj Ccmpcnent.
;L<id
А-ЛВС-J LtM 3-y OjtJ Г- m«r/es O/JLlrr, \-TMOX
SGrOLTTl
«Sne Score
5 Ml
7S3TT1
6 АЛткЛеЗ LcD
9 AlTMtei SPST Wih
CT»Snft*F
L<*»:eSou>;«
ZT(*xxrrr Sources
Opextert
KKTOS
SJtO-S
Comecxn SMPS SceuPjiw
F-ncocr БЛГОМ
Ржлме Ctynpcnerts Лсъе^кя W j.e’nrm Sxrces
МТЫ
NTW ЫТУ.Л NTVC*
Plus
Рис. 12
Курсор примет форму графического изображения источника напряжений Поместите его на рабочее окно. Зафиксируйте это положение, щелкнув ле^’1 клавишей мыши. Появится окно NFV. Введите 4*(t<lm) в окне Value, в оКВ( Show установите галочку (рис. 13). ‘ ‘
Лабораторная работа Л? 13
201
NFV Analoc behavioral vohag* source (Е t VALUE=I(R2)*V(3,4)*2) fX
Рис. 13
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени (рис. 14).
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку ОК (рис. 13).
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Componcnt\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 15).
Установите землю снизу от источника Е1 (рис. 16).
202
Iлава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
f.J Micro-Cap fl. 1.1.0 Evaluation Version • [C;\MC8DEMO\data\circuit2.cir j
G.-'-npX'!^’
ah^'C PnmOv-5
Wncows ОрОогв Vjr/sis Oragr hteb
Ltrary
OXai ttves DqfOtJbrry АТГГ.Л2Г
End Component cr*Shft*F
1 Battery
3Resstor
«Island:
5 Nor 2
6 *426
’ AnmatedMetar
6 MX
9 inductor
C Ground
EVA
•4'
Ac ire Devices waveform sources F-rctcn Sccr:« Lapuce Sources Z Trancforn Stxrces Dependent Sources Гастов SJtCkts
Con*^trv«
SMRS
Special Purpose
**₽ort
Gr^v*J
Jumper Xmpe-2 XmJagi
±VALUEM-(t«1m)
Рис. 15
Рис. 16
4.2.5 Ввод проводников
Соедините источник с землей проводником. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку мыши, «прочертите» необходимое соединение (рис. 17). W
Г) Micro-Cap 8.1 1 О Evaluation Version - [CAMC8DEMO\data\circuif2 с
g =*? Edt Competent WTdowe OpDcns Anaiyss Desgn мхе нф C й У d а л ‘ • X Ri С X * ♦ 00-4
48-P i Л. Ц'-4 -РПХ
wte Мосте (CT*w)
E1
VALUE=4*(t<=1m)
Рис. 17
(1 Micro Cap 8.1 1.0 Evaluation Varilon - (C \MC8DEMOMJATA2\L13J CIR]
й E* Ccmpcnent VjVKfcws Qpxns ^yss Qesgn ^«dei
D 3? В Л A^CXM
1Моо*|«Рммоав«*Вг1Э(Чэсж n VMary-rnfc ver 1 0
Cmwimn анамо слвалов c n»min ими <Пф nto !► «а -e»m> • *>Г
(АгаГуш i Transient Д Run) -----------
П-------------------» Ano(FFT)
Е1 iV) сигнал [___
» Диоф«тнея
сп=ктрггъмая глотиость
VALUE-4‘(t<=1m)
Рис. 18
Лабораторная работа У° 13
203
3 случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного прОцесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L13_1.C1R (File\Open...) (рис. 18).
4.3 Спектральный анализ сигналов
4.3.1 ДПФ прямоугольного импульса
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Построить график ДПФ (FFT) прямоугольного импульса. Для этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 19).
I Micro-Cap 8.1 1.0 Evaluation Version - (C.VAC8DEMO\<lataVckcuil2.cir)
Рис. 19
На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемых графиков так, как показано на рис. 20.
Рис. 20
Time Range «20т» — временной интервал (0...20 мс).
Maximum Time Step «0.001т» максимальный шаг (0,001 мс).
Р номер окна «1», в котором будет построен график ДПФ.
X Expression «Г» — аргумент функции.
Y Expression «FFT(V(E1))» — имя функции.
X Range «5к» — интервал отображения аргумента по оси X.
Y Range «240» — интервал отображения функции по оси Y.
Запустите построение, нажав кнопку Run.
На экране появиться график ДПФ прямоугольного сигнала (рис. 21).
Замечание. Если кривая не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
l.luuu пе/тия. imuLuiiuc лиииритирныл jiUMiill пи \ЛЦ
Рис. 21
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните его с графиком, полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод. fl
4.3.2 ДПФ для грех прямоугольных импульсов
Построить график ДПФ (FFT) для сигнала состоящего из трех прямоугольных импульсов (рис. 2). fl
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Измените формулу сигнала. Для этого щелкните два раза на источнике Е1. В появившемся окне VALUE вместо 4*(t<lm) введите формулу для трех прямоугольных импульсов 1
l*(t> = O)-l*(t> = O.lm)+l*(t> = 0.4m)-l*(t> = 0.5m)+
+ l*(t> = 0.8m)-l*(t> = 0.9m).
Замечание. Для более удобного ввода щелкните на кнопке Expand... .
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени рис. 22.
Закройте эти окна. Нажмите кнопку OK. I
Построить график дискретной спектральной плотности введенного сигна-
лов. Для этого в меню .Analysis выберите команду Transient... (рис. 19). На экране появиться окно Transient .Analysis Limits. I
Запустите построение, нажав кнопку Run. На экране появиться графи* ДПФ трех прямоугольных импульсов.
Лабораторная работа № 13
205
Рис. 23
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните его с рафиком, полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод.
4.3.3 ДПФ для затухающей синусоиды
Построить график ДПФ (FFT) для сигнала затухающей синусоиды Фис. 3).
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Изме-.Ите формулу сигнала. Для этого щелкните два раза на источнике Е1. Появившемся окне VALUE введите формулу для затухающей синусоиды exP(-800*t)*sin(8000‘t).
206
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника 0 времени рис. 24. те
Замечание. Для более удобного ввода щелкните на кнопке Expand...
Закройте эти окна. Нажмите кнопки OK. w
Построить график дискретной спектральной плотности введенного сигналов. Для этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 19). На экране появиться окно Transient Analysis Limits. Запустите построение, нажав кнопку Run (рис. 25).
На экране появиться график ДПФ затухающей синусоиды. В
Рис. 25
лаоораторная работа 13
207
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните его с графиком, полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод.
4.3.4 ДПФ для отрезка синусоиды
Построить график ДПФ (FFT) для сигнала прямоугольного радиоимпульса, образованного отрезком синусоиды (рис. 4).
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Измените Формулу сигнала. Для этого щелкните два раза на источнике Е1. В появившемся окне VALUE введите формулу отрезка синусоиды sin(8000*t)*(t> = 0)-sln(8000*t)*(t> - 2.356m).
Замечание. Для более удобного ввода щелкните на кнопке Expand... .
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени (рис. 26).
Рис. 26
Закройте эти окна. Нажмите кнопки ОК.
Построить график дискретной спектральной плотности введенного сигналов. Для этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 19). На экране появиться окно Transient Analysis Limits. Запустите построение, нажав кнопку Run. На экране появиться график ДПФ отрезка синусоиды.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните его с графиком полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод.
4.3.5 ДПФ для серии радиоимпульсов
Построить график ДПФ (FFT) для сигнала из серии трех прямоугольных Радиоимпульсов (рис. 5).
20Х
/лава первая, описание лабораторных работ по <)Щ
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Измените формулу сигнала. Для этого щелкните два раза на источнике Е1. В появиь. шсмся окне VALUE введите формулу для трех отрезков синусоиды
sin(8000*t)*(t> - 0)-sin(8000‘t)*(t> = 2.356m)+sin(8000*t)‘ I
*(t> = 3.142m)-sin(8000*t)*(t> = 5.498m)+sin(8000‘t)* I
*(t> = 6.283m)-sin(8000*t)*(t> = 8.639m). MH
Замечание. Для более удобного ввода щелкните на кнопке Expand....
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой ц4 кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника еп времени (рис. 27). fl
Рис. 27
Закройте эти окна. Нажмите кнопки ОК.
Построить график дискретной спектральной плотности введенного сигналов. Для этого в меню Analysis выберите команду Transient... (рис. 19). На экране появиться окно Transient Analysis Limits. Самостоятельно подберите параметры для построения этого графика. Запустите построение, нажав кнопку Run. На экране появиться график ДПФ серии радиоимпульсов. '
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните его с графиком, полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод.
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить полученные данные с данными, полученными в прсдваритсль ном расчете. Сделать выводы. н. . вчимжая
Лабораторная работа № 13
209
6 Вопросы для самопроверки
। Что называется непрерывным и дискретным преобразованием Фурье
(ДПФ)? .. -
2 Какими свойствами обладает непрерывное преобразование Фурье?
3. Какими свойствами обладает ДПФ?
4. Что называется дискретным свертками?
5. Что называется быстрым преобразованием Фурье (БПФ)?
7 Содержание отчета
Отчет
ILL
рмляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman 14,
полуторный интервал.
Для зашиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий материал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента; графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них.
8 Литература
1. Фриск В. В. Основы теории иепей. М.: РадиоС
200?. 288 с.
2. Бакалов В. П., Дмитриков В. Ф, Крук Б. И. Основы теории цепей. М.:
Радио и связь, 2003. 592 с.
3. Гольденберг Л. М., Матюшкин Б. Д., Поляк М. Н. Цифровая обработка
сигналов. М.: Радио и связь, 1990. 256 с,
4. Атабеков Г. И. Основы теории цепей. М.: Энергия, 1969. 424 с.
5. Голд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов. радио, 1973. 368 с.
Лабораторная работа № 14
Исследование КИХ-фильтров .
1 Цель работы I
С помощью программы Micro-Cap получить основные временные и частотные характеристики фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтров).
2 Задание для самостоятельной подготовки 1
Изучить основные положения теории цепей о КИХ-фильтрах стр. 272-275 111, стр. 526-556 [2], стр. 8-20, 473-489 [3], и 7-53, 82-98 [4]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки. J
3 Предварительный расчет j
3.1. Найти передаточную функцию H(z) трехзвенного КИХ-фильтра второго порядка, выполняющего функцию скользящего среднего (рис. 1). ]
Вход
Рис. 1
Где I
у, = аох + а,хН| + а,х,_2 — алгоритм работы цифрового фильтра; I
= а, = а2 = 1/3 — коэффициенты. I
3.2 Найти выражение для комплексного коэффициента передачи H(j<oT).
Построить графики АЧХ — |H(jwT)| и ФЧХ — arB|H(jcoT)] от частоты ыТ е 10, 2л) (Т = const — интервал дискретизации по времени) данного фильтра.
Лабораторная работа .4° 14
211
3.3. Получить реакцию данного КИХ-жидьтра на ступенчатое воздействие (рис. 2).
Построить график у,.
Получите импульсную характеристику данного фильтра. Постройте ее график.
3.4. Нарисуйте структурную схему четырехзвенного КИХ-фильтра (N = 4), выполняющего функцию скользящего среднего. Найти
его передаточную функцию H(z). Построить графики АЧХ и ФЧХ данного
123456789 10'
Рис. 2
фильтра.
3.5. Нарисуйте структурную схему пятизвенного КИХ-фильтра (N = 5), выполняющего функцию скользящего среднего. Найти его передаточную функцию H(z). Построить графики АЧХ и ФЧХ данного фильтра.
4 Порядок выполнения работы
Цифровые фильтры обладают рядом преимуществ по сравнению с аналоговыми фильтрами:
• нет дрейфа из-за отсутствия реактивных компонентов,
• могут быть изготовлены в виде интегральных микросхем;
• легко программируются;
• могут перестраиваться путем изменения тактовой частоты;
• имеют высокую стабильность.
Рассмотрим структурную схему КИХ-фильтра (рис. 3).
Выход
Входные отсчеты х, подаются на элементы задержки. Каждый отсчет умножается на коэффициенты фильтра а„ и результаты умножения суммируются для получения выходных отсчетов у(.
Данный КИХ-фильтр работает в соответствием со следующим алгоритмом
У. = La»x.-i»
где N — число звеньев КИХ-фильтра;
ак — коэффициенты (веса) фильтра;
х, — входные отсчеты;
212
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
Yi — выходные отсчеты;
m = N — 1 — порядок КИХ-фильтра. J
Как видно из этого алгоритма, КИХ-фильтр проводит взвешенное суммирование предшествующих отсчетов входного сигнала. Л
Передаточная функция такого фильтра может быть выражена следующей формулой Л
H(z) = а0 + a|Z"' + a2z’2 + ... +aN_lz'<N'".
Для получения частотных характеристик в H(z) сделаем подстановку w
Л
В результате частотный коэффициент передачи будет выражаться следую!
H(jcoT) = а0 + а^ >т + + ... + а>|_|с'я'' 1н“т,
где Т — интервал дискретизации по времени.
Частотный коэффициент передачи в этом случаи есть комплексная функция, поэтому ее можно представить в виде
Н0шТ)ЧНО®Т)|е^н<>т>,г .1
где |H(jcoT)| — АЧХ фильтра и arg|H(jt>T)] — ФЧХ фильтра. . |
Дзя реализации фильтра скользящего среднего выходные отсчеты вычисляются по следующему алгоритму
1 V1 I
y.=^Xxi-k-
М кМ)
Передаточная функция такого фильтра выражается следующей формулой
П 1.1
jrr
Частотная характеристика данного фильтра представляется следующей формулой I
н((оТ)=1^е-*“т.
Получим АЧХ КИХ-фильтра скользящего среднего с помощью ЭВМ (рис. 4).
Е1
Рис. 4
Лабораторная работа ,Ys 14
213
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
C:\MC8DEMO\mc8denio.exe
или
ПУСК\Все программы\Мкго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0.
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 5) собрать схему, состоящую из источника импульсных сигналов (Voltage Source), источник напряжения управляемый напряжением задаваемый передаточной функцией от z (ZVofV) и земли.
Рис. 5
4.2 Сборка схемы
4.2.1 Ввод импульсного источника напряжения
Ввести источник (VI) с формой сигнала в виде прямоугольных импульсов 'Рис. 4). Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выбе-Рите Voltage Source (рис. 6).
Курсор примет форму графического изображения источника напряжения, ^честите его на рабочее окно. Зафиксируйте это положение, щелкнув левой ни шей мыши. Появится окно Voltage Source. Введите параметры импульс-последовательности АС 1 Pulse 0 1 0 0 0 IM 2М в окне Value, в окне Show Установите галочку. Остальные параметры установите такими, как показание на рис. 7.
214
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
П Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version • [C:\MC8DEMO\data\circuii2 dr]
I Fie Ed:
AraogLtrary
Anatog Rv-fc^es
Component
VWxfows GpOors ДгйГЗ?-- Design Mode Нф
| Passive co-penens
Active Cevces
WaveFxm Scurors
Do^Ltrary
Anr-.=tm
Frri Cornpcnen*.
CM*Shft*F
Function Sources
Lapbze Sources Z Transform Sorces
isne Source
2 Ground
3Xt=i
4 KFV 5DOcck
6HJ
7 Amp SPesstor 9S0ml
0 AnmMfid Arefcg -EC»
Macros
Subckts Ссггесэп
SMPS
Spedai Риробе
W₽ort
Sne Source Ptfce Source tSource
User Source FtxedAnafog Star case 3 Phase Tnan^e MTC7
Г
»
Рис. 6
Рис. 7
Параметры импульсного сигнала показаны на рис. 8.
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника времени (рис. 9).
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку * (рис. 7). I
Лабораторная работа № 14
215
PER
Рис. 8
Рис. 9
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. 10).
Установите землю, снизу от источника VI. Рядом установите еше одну земля для КИХ-фильтра (рис. 11).
(3 Micro-Cap В 1.1.0 Evaluation Version - [CAMC80EMO\dala\circuit2.cir]
Fk? Ed: I Ardows ОрОХЛ Mcdd rief
.3 Q H
CemKtXS
Passive Co-nponents Ac cw Devices Waveform Seaces Ftncocn sazces
9-FS
SpeOJ Purpose
N-Fcrt
Z -’irafcre» Saxces DeperdertSoufces Мзсг:в $ФЛВ
Pi-Д
Рис. 10
Ъгрег
Jurpfi jurd*jl
V1
AC 1 Pulse 01000 1M 2M
Рис. 1 1
216
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
4.2.3 Ввод трезвенного КИХ-фильтра
. . Ввести трсхиенный (N - 3) КИХ-фнльтр Е1, представленный системной функцией H(z) (рис. 4), полученной в предварительном расчете (п 3 1) От кройте меню Component\Analog Primitives\Z Transform Sources и выбет£ Z-источник напряжения, зависящий от напряжения ZVofV (рис. 12). '
( » Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version • [C \MC8D£MOXdata\circu1l2 clr) ’*]EJE3 Comccrent
VAtoows Сс&хк Andyss Osiji Model н<.
D (i’U Я
jP-wmijves
A'lJog Lbrary CbjWPnnwQves Dgw Ltrar, Anmaoon
Passr-e СотрсгипЬ
Ac T/e Deuces Waveform Sources Fxcacn Sources Laplace Sax:«
Hnd Component
Z Transform Sxrcrs *
ISneSoxc*
2 Ground
3XW
4 hXY SDQock
6 MJ
7 Amp
Э Resister
9 Sami
0 Arirate j АгйЬз IE)
Macro: ictdB Correctors
S*PS
Special P’xpcse tH>ort
Zk<V
Zwcfl.
I ft’dV
hpfti.s Output
M«nus inpUtrus C’Jtpu:
Рис. 12
Курсор примет форму графического изображения зависимого источника напряжения. Поместите его на рабочее окно. Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно ZVofV. J
Рис. 13
Лабораторная работа № 14
217
Введите Z-формулу H(z) (l+POW(Z,-l)+POW(Z,-2))/3 в окне Value (здесь z-1 = POW(Z.-l) и Z‘ = POW(Z,~2)), в окне Show установите галочку. Остальные параметры установите такими, как показанные на рис. 13.
4.2.4 Ввод проводников
Соедините источники с землей проводниками. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку мыши, «прочертите» необходимое соединение (рис. 14).
(3 Micro Сар в. 1.1.0 Evaluation Vernon * (C:\MCeOEMO\data\ctrcult!.cirj
Fte Ml Ссяргпвгс Озотв <гамв Нхэв -ег •
с » о н а л « > м ♦ - ♦ - ♦ < -к^а> ♦£=3
> ~ тгГх о?»р 1 - э - --+
Г» * ♦!
V10 ® E1
Y (1+POW(Z,-1}+POW(Z-2)УЗ
AC 1 Pulsed ООО 1M2M
Рис. 14
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.ncwniail.ru/) файл LI4_I.CIR (FiIe\Open...) (рис. 15).
Valery Frisk Ver. 1.0 http7^risk newmail.nV
Лабораторная работа №14 (Часть 1| Исследование КИХ-фильтра второго порядка (Analysis \ Transient Л Run )
АС 1 Pulse 0 1 0 0 0 1М 2М
218
Iлава первая, описание лаииритирпыл рииит по и ид
4.3 АЧХ КИХ-фильтра
4.3.1 АЧХ трехзвенного КИХ-фильтра
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Построить график АЧХ трехзвенного КИХ-фильтра (N = 3). Для этого 8
меню Analysis выберите команду АС... (рис. 16). 1
ГЗ Micro-Cap 8.1.1.0 Evaluation Version - [C:\AAC8DEMO\data\ctrcuit2 ctr]
Fie Eat Ссгпэогеч: V.ndcws ГУ&-Я Design fAxtei i-Hp
*- - * g* e x ж'Н
Dvnai»: DC... At*4
Рис. 16
На экране появиться окно AC Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемого графика так, как показано на рис. 17. fl
Рис. 17
Frequency Range «32К.0» — частотный интервал (0...32 кГц).
Nunber of Points «501» число точек. I
Р номер окна «1», в котором будет построен график АЧХ.
X Expression «f» — аргумент функции. fl
Y Expression «V(E1)» — имя функции. I
X Range «Auto» — интервал отображения аргумента по оси X. I
¥ Range «Auto» — интервал отображения функции по оси У.
Запустите построение, нажав кнопку Run. I
На экране появиться график АЧХ трехзвенного КИХ-фильтра (рис. 18)-
Замечание Если кривая не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните 6го с графиком полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод.
лаоораторная paboma .У? 14
219
Рис. 18
4.3.2 АЧХ четырехзвенного КИХ-фильтра
Аналогично построить график АЧХ четырехзвенного КИХ-фильтра (N = 4).
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Измените формулу H(z) полученную в предварительном расчете (п. 3.4).
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните его с графиком полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод.
4.3.3 АЧХ пятизвенного КИХ-фильтра
Аналогично построить график АЧХ пятизвенного КИХ-фильтра (N = 5).
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Измените
Формулу H(z) полученную в предварительном расчете (п. 3.5).
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните его с графиком полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод.
5 Обработка результатов машинного эксперимента
Сравнить полученные данные с данными, полученными в предваритель-°м расчете. Сделать выводы.
6 Вопросы для самопроверки
I- Что называется z-преобразованием?
2. Какими свойствами обладает z-преобразование?
220
Глава первая. Описание лабораторных работ по ОТЦ
3. Какие фильтры называются цифровыми?
4. Дайте определение передаточной функции цифрового фильтра?
5. Какие фильтры называются КИХ-фильтрами?
7 Содержание отчета
Отчет
ILiiT»,
рмляется в с|юрмате MS Word. Шрифт Times New Roman
полуторный интервал.
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий щ териал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимента-графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложе*
ны в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них.
8 Литература
1. Фриск В. В. Основы теории цепей. М.: РадиоСофт, 2002. 288 с. М
2. Бакалов В. П.. Дмитриков В. Ф., Крук Б. И. Основы теории цепей. М. Радио и связь, 2003. 592 с.
3. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш, школа, 1983.536 с. 9 схл
4. Богнер Р., Константинидис А. Введение в цифровую фильтрацию. М.: Мир, 1976. 108 с.
Лабораторная работа № 15
Исследование БИХ-фильтров
1 Цель работы
С помошью программы Micro-Cap получить основные временные и час тотные характеристики фильтров с бесконечной импульсной характеристике (БИХ-фильтров).
2 Задание для самостоятельной подготовки
Изучить основные положения теории цепей о БИХ-фильтрах ст; 275-279 [I], стр. 540-556 [2], стр. 8-20, 489-493 [3], 351-376 |4] и 229-23 (5]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы дл самопроверки.
3 Предварительный расчет
3.1. Найти передаточную функцию H(z) типового звена БИХ-филътр первого порядка (рис. 1).
Рис. 1
Где:
п У1 = г ЧоРядка;
а© = 0, а, = 1, Ь, = 0,4 — коэффициенты.
Проверить фильтр на устойчивость.
Рассчитать и построить импульсную характеристику данного фильтра.
— алгоритм работы цифрового фильтра первогс
222
1лава первая, иписании лииирчпшрпшлpuwm nv
Найти выражение для комплексного коэффициента передачи H(jwT).
Построить графики АЧХ — |H(jwT)| от частоты coTe[0, 2z] (Т = const — интервал дискретизации по времени) данного фильтра для двух значений ко, эффиниента Ь| (Ь| = 0,4, Ь, = -0.4).
3.2. Найти передаточную функцию H(z) типового звена БИХ-фильтра. второго порядка (рис. 2). ‘ В
Где «
у, = а^х, + aiXt-i + а,хн2 + b,^., + Ь2у,_2 — алгоритм работы цифрового фильтра первого порядка; Я
Эд = I, а, = 1, а2 = -2, Ь( = 0,2, Ь2 = -0,4 — коэффициенты.
Проверить фильтр на устойчивость. Я
Рассчитать и построить импульсную характеристику данного фильтра.
Найти выражение для комплексного коэффициента передачи H(jwT). J Построить графики АЧХ — |H(jcoT)| от частоты соТ е [0, 2п] (Т = const) данного фильтра. |
4 Порядок выполнения работы 1
БИХ-фильтры обладают рядом свойств:
• имеют обратную связь (рекурсия);
• импульсная характеристика имеет бесконечную длительность; I
• потенциально нестабильны; Я
• в общем случае имеют нелинейную фазочастотную характеристику; Я
• более эффективны, чем КИХ-фильтры;
• могут проектироваться по характеристикам аналоговых прототипов; 1 Рассмотрим структурную схему БИХ-фильтра (рис. 3). я
Входные отсчеты Xj и выходные отсчеты у, подаются на элементы задер*'' ки. Каждый отсчет умножается на соответствующие коэффициенты фиЛЬ ра ам, или bk. Результаты умножения суммируются для получения выходнЫ* отсчетов,. ’
лиииуитирнин ригюта JV9 1J
Рис. 3
Данный БИХ-фильтр работает в соответствии со следующим алгоритмом
У. “ДМм +2-^У.-м к.О к-1
гае ак — коэффициенты (веса) прямой связи;
Ьк — коэффициенты (веса) обратной связи;
Х| — входные отсчеты;
у( — выходные отсчеты.
Как видно из этого алгоритма, БИХ-фильтр проводит взвешенное суммирование предшествующих отсчетов не только входного, но и выходного сигнала.
Передаточная функция такого фильтра может быть выражена следующей формулой
akz ‘
H(z) =
Например, для БИХ-фильтра первого порядка (гл = п = !) передаточная Функция будет иметь следующий вид отолэ^м» "Нжфуомвкз mmmccj v
Н(2) £ а» * W .
l-b.z*’
2) будет иметь передаточную
БИХ-фильтр второго порядка (гл функцию следующего ви ла
-I
H(z) = ? .
1 - bjZ - b2z 2
Для получения частотных характеристик в H(z) сделаем подстановку
»/ z=e*T, ГогйМ Wj(C v
— интервал дискретизации по времени.
224
первая. Описание ^операторных раоот по и т
Частотный коэффициент передачи в этом случаи есть комплексная ция, поэтому ее можно представить в виде Я
H(jcoT) =|H0wT)!e;i,g|H^T)l, Я
где |H(jwT)| — АЧХ фильтра и arg[H(jwT)] — ФЧХ фильтра. Я
БИХ-фильтра будет устойчивым, если полюсы его передаточной функцци
п
i-£bkz-k =0
лежат внутри единичной окружности z-плоскости (рис. 4).
Следовательно, БИХ-фильтра первого порядка (m = n = 1) будет устойчивым, если | Ь, | < 1. Л
Получим АЧХ БИХ-фильтра первого порядка (m = n=l) и АЧХ
БИХ-фильтра второго порядка (т = п = 2) с помощью ЭВМ (рис. 5).
-.Г.п-’-ЧЧ I - Г1 CAf.t’qvn'V ►•t-r-” (Нф-’ЛПв ИГЛ дна Гощкмуои атэин гэдуд
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap И
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap .
C:\MC8DEMO\mc8demo.exe j
В
ПУСК\Все программы\М!сго-Сар Evaluation 8\Micro-Cap Evaluation 8.0. 1
В появившемся окне Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version (рис. 6) собр31* схему состоящую из источника импульсных сигналов (Voltage Source), истО*
1rr..^.
Рабочее окно
Окно текста
anon
Select Mode
drawing area
Grid 67.11
Рис. 6
ник напряжения управляемый напряжением задаваемый передаточной функцией от z (ZVofV) и земли.
4.2 Сборка схемы
4.2.1 Ввод импульсного источника напряжения
Ввести источник (VI) с формой сигнала в виде прямоугольных импульсов (рис. 5). Откройте меню Componcnt\Analog Primitives\Waveforni Sources и выберите Voltage Source (рис. 7). ‘
! ' Micro-Cap 8.1.1 О Evaiuation Verdon
MOWataU ircuitZ. cir]
Ccmccrenc
pnnrves
Arv4o«; Lfcrary
Crjti Pnmnvcs DtgULtrary Arwnatxn
м» -Но
Pass»** Components Active cevces
Wave fern» Sccrces
Ftn?U:cSoj:«
Fnd Component
iSne Загсе
2 Gran: 3xcal
4 MV SDCb*
J Amp
I Transform Sources Depew»: Sorces Macros
SUxkts Connecters 5bP<
Sne Source PUbeSorce Багсе use Source FcoMA-uM; Star case
8 Realtor
sstmi
C Anmj’ed AiJog LED
Рис. 7
Курсор примет форму графического изображения источника напряжение Поместите его на рабочее окно. Зафиксируйте это положение, щелкнув лево1 клавишей мыши. Появится окно Voltage Source. Введите параметры импулм, ной последовательности АС 1 Pulse 0 1 О О О IM 2М в окне Value, в окне Sbn, установите галочку. Остальные параметры установите такими, как показан ные на рис. 8.
Рис. 8
Параметры импульсного сигнала показаны на рис. 9.
Рис. 9
Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени (рис. 10).
Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть. Нажмите кнопку ОК (рис. 8).
лаиораторная раоота JV$ /3
227
Рис. 10
4.2.2 Ввод земли
Откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors и выберите землю Ground (рис. II).
Установите землю, снизу от источника VI. Рядом установите еще одну хмля для БИХ-фильтра (рис. 12).
}м«с'0-Свр 8 1 1.0 Evaluation V»r»lon - [С \MC8DCMO\dau4ctfculU c»f)
fi е<ж |
Luripxvri
atkxws сросте Алгум Desqn мссИ нф
А<к4*
SAfMbg Ltrary OgRjl Prt-ncves O/uiLtrar, АПтюоп
FYxl C>nponent
ХОесзгу ZXmpe ’Pewter 4 fund?
SNorJ
6 М»
7 Arwnrted Meter 8 7400
J Srductr CGcurt
p«n« Ссктропвпа Ac>r Deuces WMtrr Sources Furcoon Sources KUce Sources Z T'WTsfcrm Sources CMperdot Source место*
SU>5 3
Cr<V>C7.<S
^45 Speca H*ort
Imper?
IrxMjl
*- I
Рис. II
AC 1 Pu se 01000 1M2M
Рис. 12
первого порядка
Ввести БИХ-фильтр EI первого порядка представленный системное функцией H(z) (рис. 5) полученной в предварительном расчете (п. 3.1). Oj.w кроите меню Component\Analog Primitives\Z Transform Sources и выберу Z-источник напряжения зависящий от напряжения ZVofV (рис. 13). Я
Курсор примет форму графического изображения зависимого источним напряжения. Поместите его на рабочее окно. Зафиксируйте это положение щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно ZVofV. 1
Введите Z-формулу H(z) для БИХ-фильтра первого поряди 1/(1-0.4* POW(Z,-1)) в окне Value (здесь z"1 = POW(Z,-I), в окне Show установи^ те галочку. Остальные параметры установите такими, как показанные на рис. |<
О Micro-Cap 8.1 1.0 Evaluetion Version - [C:\MCBDEMO4data\c1rcuit2.ctr] feEKSJ Compcnrrt ДЯРГд ATMiOQRr-C^eS
CM+Shft-F
Z Transform Saxces
Dependent Sources
SXdiis Comecm
S'4>S
Sp*C^FVP0« NPon
ДсОьеОдее sva-^efx-n Sources 'uncoon Saxces .apa.e Sa/ces
.vriixs Vu/flE bjV
АПМ19 Ltr jrv O^XJR»rCves OgULtrarv ллтжкп
fr«C Corrpjnert
ISfoe Загсе 2 Grand
3XU
SDGock
5 MJ
7 Amp
Э Peseta 9Slml
0 Ar»r>4t*.1 H&OQ LED
Г us It । 6tus Output
MinjS tri.Mr-js OUpJ
Zfoll ZfoG Zvc.fi
Zvofr I
Рис. 13
Рис. 14
лаоораторная раоота Jy? yj
229
4.2.4 Ввод проводников
Соедините источники с землей проводниками. Для этого нажмите на кНопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и, удерживая левую кнопку мыши, «прочертите» необходимое соединение (рис. 15).
Me Mode (Ctrl-W)|
Е1
1/(1-0.4*POW(Z,-1))
AC 1 Pulse 0 1 000 1M2M
Рис. 15
В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L15 I.CIR (File\Open...) (рис. 16).
0 Micro-Cap 8.1 1.0 Evaluation Verdon - [C:\MC8DEMO\DATA2\L15_1.CIR]
Эе Component Endows Qpzcns ffaryst Njcoe rfeb
? йя8 a a)" ex м |. ejscoj
tt.\$8»p I *?—p-,-4.-4- ’a tfia •• &,4 » 1^—— !
Valery Frisk Ver. 1.0 htl p JKi\sk newmafl.ru/
Лабораторная работа №15 (Часть 1) Исследование БИХ-фильтра первого порядка (Analysis \ Transient..Л Run )
Вымод
АС 1 Pulse 0 1 000 1М2М
Рис. 16
4.3 АЧХ БИХ-фильтра
4.3.1 АЧХ БИХ-фильтра первого порядка
Убедитесь, что введены все элементы правильно.
Построить график АЧХ БИХ-фильтра первого порядка (30 = 0, а, = I, 1 0,4). Для этого в меню Analysis выберите команду АС... (рис. 17).
230
Глава первая. Описание лаЬораторных paoont по U1U,
в F*? ЕЛ Cy-ponarf .Vrxtowr Сросте
О Micro-Cap 8.1 1.0 Evaluation Version - (C.\MC80EMOWaia\cWcuil2.ctr]
Dynamic DC
Рис. 17
На экране появиться окно AC Analysis Limits, в котором задайте парамет.
ры построения требуемого графика так, как показано на рис. 18.
Рис. 18
Frequency Range «32К.0» — частотный интервал (0...32 кГц).
Nunber of Points «501» число точек.
Р номер окна «1», в котором будет построен график АЧХ.
X Expression «Г* — аргумент функции.
Y Expression »V(E1)» — имя функции. Л
X Range «Auto» — интервал отображения аргумента по оси X. V
Y Range «Auto» — интервал отображения функции по оси Y.
Запустите построение, нажав кнопку Run. Я
На экране появиться график АЧХ трехзвенного БИХ-фильтра первого порядка (рис. 19).
Замечание. Если кривая не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу Е9 и убедитесь, что все величины die построения графика введены правильно. Нажмите вновь кнопку Run.
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните е с графиком, полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод о хаР® тере кривых.
Повторите построение АЧХ данного фильтра для а^ = 0, а( ш I, Ь, ® ’ Для этого вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3-мените коэффициент Ь, в формуле H(z).
Сравните полученный график АЧХ с графиком, построенным в прсдвар J тельном расчете. Сделайте вывод о характере кривых.
Лабораторная работа j\s 15
231
4.3.2 АЧХ БИХ-фильтра второго порядка
Аналогично построить график АЧХ БИХ-фильтра второго порядка.
Вернитесь к исходной схеме, нажав на клавиатуре клавишу F3. Измените Формулу H(z) на формулу для БИХ-фильтра второго порядка полученную в предварительном расчете (п. 3.2).
Данный график занесите в соответствующий раздел отчета. Сравните его с графиком, полученным в предварительном расчете. Сделайте вывод.
5 Обработка результатов машинного эксперимента
и Сравнить полученные данные с данными, полученными в предваритель-м Расчете. Сделать выводы.
6 Вопросы для самопроверки
Какие фильтры называются БИХ-фильтрами?
• Приведите условие устойчивости БИХ-фильтров.
• Дайте определение импульсной характеристики цифрового фильтра? Дайте определение передаточной функции цифрового фильтра?
.Какова связь между импульсной и частотной характеристиками цифро-
’ Фильтра?
2J2 l.iatfa HtptfUM. UlWlUnUC [/UISVIH "V кялв-л,
7 Содержание отчета 1
Отчет оформляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman ц полуторный интервал. ' 1И
Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий териал: титульный лист; цель работы; результаты машинного эксперимент^ графики исследуемых зависимостей; выводы. К оР1ету должны быть приложу, ны в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них. I
8 Литература I
1. Фрнск В. В. Основы теории цепей. М.: РадиоСофт, 2002. 28S с. I
2. Бакалов В. П., Дмитриков В. Ф., Крук Б. И. Основы теории цепей. Мс Радио и связь, 2003. 592 с. |
3. Баскаков С. И. Радиотехнические цели и сигналы. М.: Высш шкота, 1983. 536 с. М
4. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986. 512 с.
5. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978. 848 с.
Глава вторая ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПА^. ПО ОС И РПрУ
РАЗДЕЛ 1
Описание лабораторных работ по ОС
В разделе I изучаются узлы послелетекторной обработки аналоговых сигналов, устройств воспроизведения сигналов, усилителей низкой частоты.
В основу электронных моделей отдельных узлов положены макеты лабораторных работ, существующие в лабораторном практикуме МТУСИ (с сохранением нумерации).
Исследуются базовые каскады с применением наиболее распространенных реальных электронных схем на основе отечественной элементной базы. Все лабораторные работы содержат предварительный расчет с использованием упрощенных моделей активных элементов. Машинный эксперимент, основанный на применении современных нелинейных моделей активных элементов, позволяет провести более точный расчет с последующим сравнением полученных результатов.
Подробный компьютерный анализ проведен для двухкаскадного резисторного усилителя с резистивно-емкостной связью с использованием его эквивалентной схемы, в том числе эквивалентной схемы биполярного транзистора (схема Джиаколетто). Одновременно проведен анализ этого усилителя на основе принципиальной схемы каскада и применения нелинейной модели биполярного транзистора Гумеля — Пуна. , • .
Анализ частотных свойств эмиттерного повторителя и резисторного кас-проводился одновременно с использовыанисм принципиальных схем Каскадов и выводом результатов в одну систему координат, что позволило нарядно сравнить их частотные свойства.
Аналогично исследуются две рахтичные схемы коррекции в области НЧ и ВЧ, наглядно отображая их сравнительную эффективность.
Модель типичной схемы выходного каскада с использованием ОУ позволяет познакомиться с особенностями построения усилителей постоянного тока, особенностями их использования, изучить способы улучшения их харак-Теристик.
Лабораторная работа № 1
РЕЗИСТОРНЫЙ КАСКАД ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
1 Цель работы
Изучение физических принципов действия и определение основных технических характеристик резисторного каскада предварительного усиления;
машинное моделирование и анализ свойств каскада предварительного усиления с использованием пакета программ анализа аналоговых схем Micго-САР 8 (МС8).
2 Задание
2.1 Расчетная часть
Используя данные о величине параметров компонентов принципиальной схемы усилителя (рис. 1.1) и применяемых транзисторов: 1
2.1.1. Рассчитать параметры эквивалентной схемы Джиаколетто транзисторов VTI и VT2 для указанных в приложении режимов по постоянному току. '
2.1.2. Нарисовать полную эквивалентную схему усилителя, изображенного на рис. 1.1,* с применением эквивалентной схемы Джиаколетто для транзисторов VTI, VT2, справедливую для всей области частот. J
2.1.3. Рассчитать коэффициент усиления каскада на транзисторе VTI *4 напряжению К и ЭДС К*, на средней частоте.
2.1.4. Рассчитать значение верхней частоты Г, каскада на транзисторе VT • определяемой влиянием только входной цепи каскада на транзисторе VT • для величины коэффициента частотных искажений М, = 3 дБ. I
2.1.5. Рассчитать значение нижней частоты f„ выходной цепи каскада^® транзисторе VT1, определяемой только влиянием разделительной емкости GI (рис. 1.1) для Мм = 3 дБ.
3 дБ.
лаооратирним рииити /
2J5
р 8.1.0 0 Ev
оп • [C:\MC80E
CIR]
FjT ZofWn^t fifrorws Qpcrc &я»дг- ЫС
х а
пппп
\*ЫпХТ«4лМ>ЭШл1-»Го/
Рис. hi
2.2 Экспериментальная часть
2.1.,. Для компьютерной модели усилителя, реализующего приниипиаль-ную схему (рис. Т.1): П11СНить коэффици-
2.2.1. Получить АЧХ усилителя на транзисторе VTI и оценить .ч> енты усиления К и К* на средней частоте. .„221 АЧХ каскада.
2.2.2. Оценить значения f. и Г. по рассчитанным в п. 12.1
при пошагово*
2.2.3. Получить АЧХ усилителя (К) на транзисторер^1еличении толькс уменьшении только емкости С4 в тысячу раз, ai затсэлементов ука-СЗ в тысячу раз, при сохранении значений величин остальны
занных в схеме. .„.«шимши R4 в пять раз.
Проделать аналогичный эксперимент при у
2.2. Ь. Для полной эквивалентной схемы усилителя* VTI, опреде
2.2.4. Получить АЧХ усилительного.каскада на ^™£оте.
Лить значения коэффициентов усиления К uulJU н п 2.2.4 АЧХ.
2.2.5. Оценить значения f„ и f. по рассчитан _ рительного расчета и
Сделать выводы о совпадении £ий к К* и fB, f. каскада Hi
полученных при машинном моделировании, зна ^инного МОДСЛирова
транзисторе VT1; о степени совпадения резуэберса - Молл Ния при использовании М£пиянии на АЧХ изменения величию
(п. 2 2 I) и Джиаколетто (п. 2.2.3), о влияни
элементов СЗ. С4. R4 и R4 на К. К и форму АЧХ
236
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РНрУ
3 Описание принципиальной схемы усилителя Ш
Исследуются свойства первого каскада двухкаскадного усилителя с рея стивно-емкостной связью на биполярных транзисторах КТ 316В, представ ленного принципиальной схемой, рис. 1.1.
Резисторы R2. R3 обеспечивают подачу смешения на базу биполярно^ транзистора VT1, образуя в месте с R5 цепь эмиттерной стабилизации его ре жима. Через резистор R4. включенный в управляемый электрод, подается пи. таюшее напряжение. Одновременно он является элементом схемы с которот снимается усиленное напряжение (является частью сопротивления нагруз^ каскада). Конденсатор С2 исключает протекание постоянной составляющей тока источника питания через источник сигнала, СЗ разделяют по постоянно-му току каскады, С4 устраняет в каскаде отрицательную обратную связь по переменному току при сохранении отрицательной связи по постоянному току за счет R5. Конденсатор С1 исключает протекание сигнала через источник питания. Резистор RI характеризует внутреннее сопротивление источника сигнала. Конденсатор С5 исключает протекание постоянной составляющей тока через эквивалент нагрузки второго каскада R10. Нагрузкой исследуемого каскада на транзисторе VTI служит входное сопротивление каскада на транзисторе VT2 вместе с сопротивлением R4.
4 Методические указания по выполнению работы I
4.1 Расчетная часть
Расчет параметров усилительного каскада на транзисторе VT1 проводится: с использованием значений элементов принципиальной схемы и эквивалентной схемы транзистора (схема Джиаколетто).
4.1.1. Расчет коэффициента усиления каскада по напряжению К и ЭДС К* проводится на средней частоте (fcp=IOOO Гц) для последующего сравнения с результатами машинного моделирования. j
4.1.2. Расчет граничных частот полосы пропускания по заданной величине частотных искажений проводят по формулам для М„ и Мв. гМ
4.2 Машинное моделирование
Частотные свойства резисторного каскада на транзисторе VTI изучаются с применением моделирования принципиальной схемы усилителя во всей области частот на ЭВМ с учетом свойств источника сигнала и влияния второго каскада (на транзисторе VT2), полученных при:
• исследовании принципиальной схемы каскада; W
• исследовании полной эквивалентной схемы каскада. J
Машинный эксперимент по исследованию свойств резисторного каскад? проводится на ПЭВМ с использованием системы схсмотехничекого модели* рования Micro Сар8 (МС8).
Лабораторная работа .М> /
237
Предполагается, что:
. студенты знакомы с основами работы операционной системы WINDOWS 98(или более поздними версиями);
. имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии, по указанному в п. 8 настоящего описания адресу, получить инсталляционные файлы студенческой версии программы mc8demo.exe или приобрести эту программу на CR дисках.
4 .2.я. Изучение частотных свойств усилительного каскада с использованием принципиальной схемы
При выполнении п. 2.2.1—2.2.3 следует загрузить систему схемотехнического проектирования МС8 и вызвать в главное окно принципиальную схему усилителя (рис. 1.1), находящуюся в файле Vresam.CIR. Дтя этого необходимо выбрать режим FILE основного меню (рис. 1.2), в выпадающем окне выбрать файл C:\MC8DEMO\dala\Vrcsam.CIR, вызвав его в основное окно редактора. В центральном окне редактора должна появиться принципиальная схема усилителя, приведенная на рис. 1.1. Следует убедиться в соответствии параметров зызванной схемы и, приведенной в описании, (при этом нумерация элементов может отличаться от приведенной на рис. I I и это не требует редактирования). - «1 IT—
Если полученные методические материалы не содержат дискету' с фактом принципиальной схемы усилителя, то ее следует ввести самостоятельно, выбрав режим FILE в меню главного окна (рис. 1.2), которое представлено командами: File. Edit, Components, Windows, Options, Analysis, Help.
Рис. 1.2
238
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Меню File служит для загрузки, создания и сохранения файлов схем, бця лиотек математических моделей компонентов схем и для вывода схем принтер. При этом программа автоматически присваивает окну схем некого рый текущий номер (например, circuit!).
Меню Edit служит для создания электрических схем, их редактирования а также редактирования символов компонентов схем. *
Команда Components главного меню используется для добавления в coj. даваемую или редактируемую схему компонентов, в дополнение к содержа, щимся в каталоге МС8 (каталог содержит более 100 аналоговых и нифровц» компонентов). Каталог команды Components можно редактировать, создавая новые разделы иерархии и вводить в них новые компоненты (например, тран-зисторы отечественного производства).
Меню команды Windows позволяет манипулировать открытыми окнами обеспечивая доступ к редакторам МС8 и калькулятору. '1<1
Меню Options используется для настройки параметров программы. W Меню Analysis предлагает виды анализа введенной принципиальной схемы.
Меню Help позволяет обратиться к встроенному файлу помощи и оценить, на предлагаемых примерах, возможности программы.
Создание принципиальной схемы начинается с выбора курсором компонента принципиальной схемы на строке основных компонентов (рис. 1.2) и нажатием левой кнопки мыши. J
Перемещение компонента на экране производится при нажатой левой кнопке, а при необходимости изменить положение компонента, щелкают правой кнопкой при нажатой левой кнопке. При отпускании левой кнопки местоположение компонента фиксируется и в ниспадающем меню (рис, 1.3) появляется название компонента и предложение присвоить ему позиционное обозначение PART (предлагаемое позиционное обозначение может быть изменено на любое при активизации указанной строки левой кнопкой мыши).
Затем указывается величина VALUE компонента. Присвоенное компоненту название и величина будут изображаться в главном окне при вводе принципиальной схемы, если соответствующий параметр будет помечен галочкой SHOW в рамке Name или Value, соответственно. При вводе значения параметров допускается использование масштабных коэффициентов: Л
Значение 6 10 3 10 -3 10 10 10 -12 10 -15 | 10_^
Префикс MEG к и N Р
| Степ, ферма 10Е+6 10Е+3 10Е-3 10Е-6 10Е-9 10Е-12 10Е45_
Масштабный коэффициент может содержать и другие дополнительна* символы, которые программа игнорирует. То есть величина емкости в 5 1" может быть введена: Я
5 PF или 5 Р или 5Е-12. В ниспадающем меню может так же вводи?1’0* информация о мощности, рассеиваемой на компоненте, типе корпуса, мости, что необходимо для дальнейшего использования в программе РС^| при разработке топологии печатной платы и оценке стоимости устрой^* (если это предполагается в задании). Подтверждением окончания ввода Л®60
Лабораторная работа № 1
239
Рис. 1.3
го компонента является нажатие кнопки ОК. Если какие-либо сведения введены неверно, то нажатие кнопки Cancel, отменяет всю введенную информацию о компоненте.
Транзистор типа NPN, который выбирается пиктограммой на второй строчке главного меню, устанаативается в схему, как описываюсь ранее, и затем, на ниспадающем меню, выбираются: PART — позиционное обозначение компонента, характеристика, определяющая его активный режим VALL E (может пропускаться) и MODEL — используемый транзистор — КТ316В (рис. 1.4).
Поскольку в библиотеке транзисторов, предлагаемых в активированном °кне справа, нет транзистора КТ 316В, то необходимо ввести параметры модели транзистора в подсвеченных окнах Source: Local text area of C:\MC8DEM0\ data\.circuit2.cir(BMecTO представленных на рисунке), нажав предварительно Кнопку New (рис. 1 4):
IS = 3.49F BF = 74.97 VAF=102 IKF =0.1322 ISE = 44.72F NE = 1.483 = 0.2866 VAR = 55
1KR = 0.254 ISC = 447F NC = 2 RB = 66.7 RC = 7.33 CJE = 1.16P
VJE = 0.69 MJE = 0.33
CJC = 3.93P VJC = 0.656 MJC = 0.33 FC = 0.5 TF = 94.42P XTF = 2
VTF = 15 lTF = 0.15
TR = 65.92N EG = 1.11 XTB = 1.5, остальные параметры модели транзи-Ст°Ра принимаются по умолчанию.
иава вторая, описание лабораторных работ по ОС и РНрУ
OJ
Сар 8.1 0 Ofvdudtk>n Ует. IC AM CROC nPN:NPN Traiptstor
Ct
Г* PrNvwt Г PtiMjrWi Р С-гел £7 Pj« Р CoMUm
PbAI-vTI
P*4_£-
PtOx-E-Ct'Sl-I’UWLR-
ЛйИ 2Н2222 №2М
2*Z» 2*3020
'« 14 iJ^MalnXTe^AMooelSAWo/
|Cor~<xrenc Mede____
•2 пуск
Мх 1 - МКЛХЯ1.
efcIT vm(c~ х(ГГ лй[Г“
Я9Ы|О ся (О ос [о
CjMtrc-Cape.lOO...
$аж» l «ей teM »m « СМСЮСК '4«4Мжм12 и rfioo
ИП
►A 0
«|5— мл [гёь
Nf JI
ISC 0
6С |0
•ss|o RtS
KJE |jJte нх[1юГ мд RS
1
Рис. 1.4
Модель генератора гармонических сигналов выбирается на панели ком
понетов главного окна, присваивая
значение
PART VI
и тип модели
MODEL SG1. Параметры модели F, A, DC и т. д. вводятся в соответствие с рис. 1.5. Список компонентов заносится в текстовый файл Source: Local text
area of C:\MC8DEMO\data\circuit2.cir. В окне F указывается значение частоты генератора гармонических сигналов (в герцах), А — величину амплитуды сигнала (в вольтах). DC — значение постоянной составляющей (в вольта*!. PH — начальное значение фазы сигнала (в градусах), RS — величину внутреннего сопротивления источника сигналов (в омах), RP — период повторения моделируемого процесса (если процесс затухающий, при указанной в®* личине постоянной времени TAU, с), TAU — постоянная времени затухания
переходного процесса.
Величина напряжения источника питания V2 принимается равной 9 Д Подключение источника питания (батареи) в схему после выбора его пиИ^ граммы в строке главного меню и задания параметров (рис. 1.6) должно прЯ водиться с учетом типа проводимости транзистора. ’ w
Соединительные линии между элементами схемы прочерчивают, исполу зуя кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode (изображение л нии) на панели инструментов (рис. 1.2).
При необходимости коррекции некоторых элементов принципиальн схемы необходимо вначале удалить соответствующий элемент (компонеН’’ линию), нажав левой кнопкой мыши стрелку — «изменение режима» о*01*
Лабораторная работа № 1
241
MR СОПОСГМ м
г Мм-
Vau------
С •>
РпМвквяГ РйМмеа Г" Pnlkww* Р Ctarenl Р Рип* р Сспакг r_rky
i Uicro-Сар ] >ersion - [C:\MC6DEi jjr|e Soufce^jpe Source
ОСП
~1ППП
• пуск
>»»х-^м^^хнр7 jOomponert Mode
□ n*ePi-«<fcr=K*.- Омспхдразио
РА-" Г..’
COST-
rfioa
к iMKt ЭД'ЛА vtusa >HK«£C «►z GENtPAL
5«ч LacMie* вм * С U«C3D-MOsa«M\c»cui2ы
Sro*S Те soiree 1:сээо- of Те ^od?l stMerrerr X ! jbett.
Рис. 1.5
Рис. 1.6
Лабораторная работа № 1
242
главного меню, активизировать режим (Select Mode) редактирования э.темец. тов или компонентов схемы. Затем, поведя курсор к компоненту, нажать де. вую кнопку мыши. При этом подсвечивается, обычно зеленым цветом, ком. понент или соответствующий текст на принципиальной схеме и затем, войдя в меню EDIT, выбирают CUT и удаляют необходимые атрибуты. Возникающие трудности при удалении элементов или вводе новых устраняются с цс. пользованием программы HELP главного меню.
Закончив ввод компонентов принципиальной схемы и, проверив их значение, нажатием кнопки Node Numbers (номера узлов) определяют узлы, на которые подаются или с которых снимаются напряжения. Запомнив, или записав их, переходят в режим анализа усилителя, войдя в меню Analysis и подменю АС (анализ частотных характеристик). В подменю AC Analysis Limits (рис. 1.7) задают пределы изменения переменных и ряд других параметров.
a
AC Analysis Limits
| Delete [ Екг-ard^ | Stepping | Piop^ties
Frecue'cy Range |Lr»eai
Кде« orf Fort:
I-mzediure |Lnej -|
Maxrxfr Charge X
Na» Irpurf
None Oixput
' 00000
£-л Optons
^tataVanebez
МОКЕ
ХЕхрегосп
Normal
Zero
Г Auto Scab Яэпдм
Y Exwestton
(•еелЛОеЭ
:< ? 5
р
Г
Рис. 1.7
В соответствие с рис. 1.7 анализируется частотная область от 0,01 Ги до 100 МГц, что задано в строке Frequency Range с числом разбиений интервала 100 000 (Number of Points) с автоматическим выбором шага на каждом подинтервале (Frequency Step), для комнатной температуры и отсутствии внешних шумов на входе (Temperature — 27 °C, Noise Input — None)
В таблице, определяющей количество выводимых графиков на монитор, указано, что это будет один график (Р = 1). По оси абсцисс откладывается частота (X Expression — F), по оси ординат — коэффициент усиления по н»’ пряжению К (Y Expression — V(5)/V( 1)). 1I
В графе X Range последовательно показаны: значение верхней частоты для выводимой на монитор зависимости, нижнее значение и шаг сетки час тог, с которым кривая будет изображаться. В графе YRange указываются эня логичные сведения для оси ординат. Для указанных узлов АЧХ будет имСЯ вид, изображенный на рис. 1.8. Активизировав пиктограмму Peak (рис. определим значение коэффициента усиления в точке максимума, а затем *** рабочей частоте (fcp). захватив нажатой левой кнопкой мыши ось маркера. J
Подобным образом оцениваем значение верхней f, и нижней f„ рабоч** частот, где усиление уменьшается на 3 дБ по сравнению с коэффициент® усиления на рабочей частоте.
-ilniИкППтлЪПМп я nnfinm/t A.Z J
(1 Мк го -Cap 8.10.0 Evaluatton Ven too - [AC AndyMs]
(*« w»Kto^ Opurw AC Scop* MjnMCvb мхЫ н»р H -
?Vuyj>a_r ’ -r > *;1 -;. . „_»_ rjsT^nsB роз % it «BsiarJ
ZZIDE) □□-'• 1 > л\ -- '7 > ♦ A A e\V<a
Ьи»Мра» ~ 1Й<«лс«»1»г«loot»tfinСит»ma<i .. i. _.—Tf
• fiyCH___________________• ^ъ-4-^rv*»iw Э ru&>l-Mensae. Пысс<4Ш0. Sac ArvM^LavMk p< 1694
Рис. 1Л
Проведите подобный анализ принципиальной схемы резисторного каскада для узла 7, рассчитывая АЧХ коэффициента усиления по напряжению К и по ЭДС (К*) определить К и К* на средней частоте и значения fM, fH’ и fM fB‘ Для соответствующего графика. Результаты измерений занести в табл. 1.1.
Таблица /./
Тил схемы *-— Параметэы
К t. 1 -. к* V 1. V I
Укошенная эквивалентная «вма (расчет)
П^ципиаг.ьная схема (эксле*
^°Пи*я Эквивалентная схема
сМк^1Я снятия частотных характеристик при пошаговом изменении (П. 2.2.3.) (МеОсти С* необходимо, переходя в режим анализа частотных характеристик, Hl° Analysis главного окна) выбрать АС на выпадающем подменю. На за-Ке AC Analysis Limits нажимают кнопку Stepping Компонент схемы, кото-
244
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 1.9
рый будет изменяться (С4) в окне Step What (рис. 1.9), указывают нажатием на кнопку' расширения размера окна и последующей активизацией строки измен няемого параметра. Подтверждение выбранного параметра происходит при нажатии левой кнопки мыши.
Затем, указывая пределы изменения С4 от (From, рис. 1.10) Нижнего до Верхнего (То) значений с Шагом (Step Value) и закон, по которому изменяется величина С4 (Method Linear), помечается точкой. Пометив точкой, что, изменяющимся является компонент (Component) в рамке (Parameter Type) kJ подтвердив намерение обеспечить пошаго — вое изменение компонента точкой (Yes) в рамке (Step It), нажимают кнопку (ОК) при условии правильного1 ввода всех данных. Затем, нажав ключ F2 или пиктограмму АС на окне схем, и, войдя в режим анализа (Run), получают семейство кривых, определяемых текущим значением компонента С4 (рис. 1.11). Подводя курсор к выбранной
Рис. 1.10
Лабораторная работа 1
245
Рис. 1.11
кривой определяем значение компонента, соответствующего этой кривой. Нажатием на пиктограмму Peak можно выделить одну из кривых, а маркер указывает ее наибольшее значение для конкретной величины С4. которое высвечивается над графиками. Размещая курсор на кривой можно определить текущее значение С4, при котором проведен анализ (указывается на строке под чертежом) и значение коэффициента усиления, и соответствующего значения частоты.
Аналогичным образом проводится анализ для изменяющихся значении СЗи R4.
Полученные кривые распечатываются и прикладываются к отчету.
4.2.Ь. Исследование частотных свойств каскада с применением полной эквивалентной схемы усилителя
Выполнение п.п. 2.2.4—2.2.5 предполагает исследование частотных с®ойств резисторного усилительного каскада с использованием в качестве мо-Дс/|и биполярного транзистора физической малосигнальной модели Джиако-•’’етто
Если методические материалы содержат дискету с файлом C:\MC8DEMO\ ^aXVresameqv.CIR то, входя в режим File окна главного меню, вызывают в Рабочее окно эквивалентную схему резисторного каскада по переменному току с к,ежкаскадными цепями связи и источником входного сигнала и нагрузкой ’Рис. 1.12).
246
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 1.12
При отсутствии указанного файла элементы принципиальной схемы вводятся с использованием методики, описанной ранее. Элементы принципиальной схемы, принад — лежащие внешним цепям, сохраняют нумерацию рис. 1.1, относящиеся к эквивалентным схемам транзисторов имеют обозначения строчными буквами и нумерацию, первая цифра которой, указывает на номер транзистора, а вторая — порядковый номер компонента.
Генераторы G1 и G2, управляемые напряжением на эмиттерно-базовом переходе, вводятся в схему следующим образом: в начале активизируете® меню Components главного окна меню (рис. 1.12), затем на выпадают®** меню выбирается строка Analog Primitives (простейшие аналоговые устройс*’ ва), на очередной закладке Dependent 5оигсе5(зависимые источники) и затем. способ управления источником (ток управляется напряжением) I (рис. 1.13).
Появляющийся источник тока, управляемый напряжением на базо-эми* терном переходе, кроме символа источника тока содержит знаки полярное*1*
и точки, определяющие место подключения источника.
При нажатой левой клавише мыши вращением источника тока (ще-1*** правой клавишей) добиваются необходимого положения источника. При точки Plus Input и Minus Input должны быть подключены к управляют®*" элементу схемы (конденсаторы С12 и С22). Параметры уйравляемого исто® ника задаются на выпадающем подменю 1 of V: Linear lofV constant depend
Лабораторная работа № 1
247
HMfcfO-Cip в-1
Evaluation Version • |C.\MC8DEMOV)ATA\VreMmeqv.CIR)
;nj
21£u
ПИо^ИОД,
Wl - моолЛ
*tn
Edt
Arwtog.fcory
Dqc&l Lti*r
ЛАМС1Л
Fnc CcinporwH С» HSfwft-'
W»»«Fr rr> SCXTOt
FinctKr Scxnas
LJCiao Saxos Z Trwvfcr n Soxcm
‘АГГ*»
1 Gra^d
2 SreSowx»
1 • Чаоо
SuDOts Corr* tot«
<PM4tr
7 Вл Ягу a mcttr
0 Qxrait Soirt®
Smc«4^#PDW
vcfl
₽<ev
(X*v
»M3R
r2l
Рис. 1.13
Рмс. 1.14
248
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
source (рис. 1.14), где для традиционного описания параметров компонентов (например, рис. 1.3) в строке VALUE вводится рассчитанное значение крути»] ны (свое для каждого транзистора) |
Анализ частотных свойств резисторного каскада на транзисторе VTI про, водится по методике описанной ранее. Полученные значения К и К* заносят] ся в табл. 1.1, вместе с определенными по АЧХ fH" и f/. И
5 Содержание отчета I
• Ugl
5.1. Цель работы.
5.2. Принципиальная схема исследуемого каскада.
5.3. Исходные данные для расчета. I
5.4. Расчет, проведенный в соответствие с разделом 2.1. Н
5.5. Таблица сравнительных результатов, в соответствие с разделом 2.2а,
I
5.6. Распечатки АЧХ усилителя (2.2.1, 2.2.3) на основе принципиальной схемы и на основе эквивалентной схемы (2.2.4).
5.7. Краткие выводы.
6 Контрольные вопросы
6.1. Нарисуйте принципиальную схему резисторного усилительного каскада на биполярном транзисторе. Я
6.2. Покажите прохождение постоянных составляющих тока эмиттера К делителя в каскадах. В
6.3. Покажите протекание тока во входной цепи исследуемого каскад* (переменной составляющей).
6.4. Поясните назначение всех элементов усилительного каскада. !Я
6.5. Покажите протекание переменной составляющей в выходной uenifc каскада.
6.6. Какая схема стабилизации режима транзистора применена? Ее осОЧ бенности. И
6.7. Изобразите эквивадентную схему транзистора (физическую, электрй" чес кую).
6.8. Нарисуйте эквивалентную схему' усилительного каскада, объясняй^ шую возникновение частотных и переходных искажений за счет конденсат^ ра С3. Как влияет величина емкости конденсатора на АЧХ и переходную <* рактеристику? Я
6.9. Нарисуйте эквивалентную схему', поясняющую возникновение тотных искажений в области нижних (верхних) частот. J
6.10. Для чего устанавливается конденсатор С4? Поясните его влияние Я А IIV
Лаоораторная работа № I
24'
7 Краткие теоретическике сведения
7.1 Резисторный каскад. Пути протекания постоянных токов. Модели БТ.
Анализ свойств усилительного каскада основан на использовании эквивалентной схемы активного элемента.
Активный элемент АЭ — биполярный транзистор БТ на малом сигнале может быть описан в виде линейного 4-полюсника парами уравнений, связывающих токи и напряжения на его входе и выходе. Условием малости сигнала является: амплитуда напряжения (тока) значительно меньше постоянного напряжения (тока) на соответствующих выводах (в соответствующих цепях). Например, амплитуда напряжения между базой и эмиттером значительно меньше напряжения смещения (Umfe « U6j0), амплитуда коллекторного тока значительно меньше постоянной составляющей тока коллектора Получившие распространение электрические модели АЭ описывают их свойства уравнениями, содержащими Z, Y. h — параметры. При этом формализованные схемы не раскрывают физические свойства транзистора, а отражают лишь реакцию 4-полюсника на токи и напряжения на внешних зажимах. Анализ усилительных каскадов проводится методами линейной теории, например, с использованием матричного аппарата, что позволяет достаточно просто описывать многокаскадные усилители, охваченные обратными связями.
Физическая модель содержит элементы, отражающие физические процессы в транзисторе, особенности технологии изготовления, области рабочих частот. Элементы модели не зависят от частоты усиливаемого сигнала и учитывают влияние, режима работы и температуры на усилительные свойства, входное и выходное сопротивления транзистора.
Сравнение рассмотренных способов описания АЭ показывает, что электрическая модель может быть применена только на одной частоте и выбранного температурного режима эксплуатации. Любое их изменение требует определения новых параметров эквивалентной схемы, что существенно осложняет анализ. Физическая модель более гибкая, но каскадное включение Усилителей или введение обратной связи существенно усложняет анализ та-кИх схем. При этом требуется составлять эквивалентную схему каждого усилительного каскада, что иногда весьма затруднительно из-за отсутствия достоверных сведений о параметрах физической модели транзистора, тем более при •^пользовании составных транзисторов.
Использование метода линейных графов позволяет упростить анализ сл9Жных усилительных каскадов вне зависимости от способа построения каскадов и вида нагрузки.
В лабораторной работе исследуются свойства резисторного каскада при Ключении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером ОЭ. Спо-OlJ включения определяется по тому, какой вывод БТ является общим для ’С1°'1ника сигнала и нагрузки (через эмиттерный вывод протекает перемсн-4 составляющая токов источника сигнала и нагрузки).
Исключив вспомогательные элементы (рис. 1.1), рассмотрим принципи-**ную схему резисторного каскада (рис. 1.15).
250
Лабораторная работа Рк t
Рис. 1.15
Для данного типа проводимости транзистора (n-p-п) и соответствующей полярности источника питания, указанные элементы принципиальной схемы обеспечивают активный режим, создавая токи покоя 1м, 1к0, 1Л. Пути протекания постоянных токов от «+» к «—» (электрическая земля) источника питания, том числе ток делителя (1Д), показаны на рис. 1.15. J
Требуемую величину тока базы 1м получаем задавая по закону Кирхгофа «Л
uR3=uM + uRS, (1.1)
Напряжение UR3 = 1ДК„ является частью напряжения источника питания Е, создаваемое на R3 протекающим током делителя 1д. Резисторы R2. R3 обеспечивают подачу напряжения смешения на базу транзистора, одновременно, образуя вместе с резистором Rs, цепь отрицательной обратной связи по постоянному току. Ток делителя выбирается из условия: !л» 1м, поддерживая постоянство положения рабочей точки на семействе входных и выходных динамических характеристик транзистора.
Повышение стабильности положения рабочей точки при изменении температуры рабочей среды добиваются включением вместо R3 такого же транзистора в диодном включении (КБ переход закорочен). Такой способ параметрической стабилизации обеспечивает практически одинаковый сдвиг характеристик транзистора i, = f((J6i) и диода 1Л= f(LJA) при изменении температуры, а значит — постоянство напряжения U6j0 (используется часто в ИМС). J
Поддержание стабильности положения рабочей точки при изменении условий эксплуатации (температурный режим, влажность старение транзистора) возможно за счет действия механизма отрицательной обратной связи по постоянному току. Обратная связь возникает при попадании части выходной мощности во входную цепь, в данном случае — влияет на напряжение U4Jr Это может происходить по специально созданным цепям или за счет паразитных элементов схемы. Если реакция (изменение напряжения на входе) противоположна входному воздействию, то обратная связь отрицательная. Включение в эмиггерную цепь резистора Rs создаст последовательную по напряжению отрицательную обратную связь по постоянному току. Механизм действи” се следующий. J
Напряжение UR3 = Е — UR2 = R2(Ia + !«,) * const, практически не зависит от изменения величины тока базы, под действием указанных причин, вследствие его малости по сравнению с током делителя. Поэтому, если, например пр”
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
251
увеличении температуры среды, ток базы вырос, то увеличивается ток коллектора (lk0 = h;il&J), а значит и паление напряжения на UM: UM = (lk0 + l5,)R5. Поскольку UR3 * const, то это равносильно уменьшению напряжения U6j0 (1.1). Таким образом, увеличение тока базы (1м) (что равносильно увеличению напряжения привело, под действием механизма отрицательной обратной связи, к его уменьшению (вследствие уменьшения иял).
Это означает, что вне зависимости от причин изменения напряжения и6, Или тока ie и его характера, реакция выходной цепи будет на компенсацию любого изменения. Очевидно, что чем больше глубина обратной связи, тем сильнее будет противодействие любому изменению тока (напряжения).
Для анализа свойств усилительных каскадов нашла широкое применение П-образная гибридная физическая эквивалентная схема биполярного транзистора БТ (схема Джиаколетто).
Описание БТ линейной моделью справедливо для малосигнального режима работы каскада, когда амплитуда переменной составляющей значительно меньше значения соответствующей постоянной составляющей (например, |6in« Igo), что справедливо для исследуемой схемы каскада предварительного усиления. Эквивалентная схема БТ при включении его по схеме с ОЭ изображена на рис. 1.16.
Рис. 1.16
Элементы эквивалентной схемы БТ отражают физические процессы, протекающие в его структуре, и особенности технологии при его производстве.
г6' — объемное (распределенное) сопротивление базы;
г6, — сопротивление между базой и эмиттером;
С6, — емкость между базой и эмиттером, равная примерно зарядной емкости эмиттерного перехода;
= Свк — емкость между базой и коллектором, определяемая в основном барьерной емкостью коллекторного перехода (Ct « С6});
гв-к — сопротивление между коллектором и базой, равное в основном дифференциальному сопротивлению коллекторного перехода(г6к » г6.,);
го — сопротивление между коллектором и эмиттером;
UnS„ — генератор тока, отражающий усилительные свойства транзистора,
•Нравляемый напряжением на базо-эмиттерном переходе;
Ц, — напряжение на базо-эмиттерном переходе;
Sn — крутизна характеристики выходного тока транзистора как функция апРяжения на переходе.
Эквивалентная схема каскада показывает, что управляемый входным сиг-источник (SnL’n> создает ток коллектора во внешней цепи значительно
252
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
превышающий ток источника (ir = h213i6), что отражает усилительные свойства транзистора. тЛ
Емкости базо-эмиттерного БЭ и коллекторно-базового КБ переходов указывают на частотную зависимость выходных параметров Б_Т. Частота, на которой значение коэффициента усиления по току h-b уменьшается в \2 раз (на 3 дБ) от значения h21j0 на низкой частоте, называется граничной частотой
по коэффициенту передачи транзистора по току
ГИ2|э.Частота, на которой уси-
лительные свойства по току транзистора исчезают (h2b= 1), называется гра
ничной частотой транзистора fT.
Учитывая соотношение между значениями величин физических парамет
ров схемы Джиаколетто и параметры реальной нагрузки и источника сигналов эквивалентную схему резисторного каскада (рис. 1.14) можно упростить. J
7.1.1 Эквивалентная схема входной цепи транзистора
Транзистор при любой схеме включения, явл'яюшийся нагрузкой преды
дущего каскада (источника сигнала), представляет собой некоторое комплекс
ное сопротивление, зависящее от режима работы, технологии изготовления и
рабочей частоты. Транзистор, представленный физической или электрической моделью, работающий на частотах значительно ниже fh;i3, в первом приближении можно считать невзаимным элементом. Влияния выходных параметров транзистора (каскада) на свойства входной цепи тем меньше, чем меньше проводимость обратной передачи (у12), определяемая в основном параметрами коллектор но-базового перехода. Чем меньше на рабочей частоте С, и больше r6.k, тем сильнее невзаимные свойства транзистора. Ж
Для режима короткого замыкания на выходе (R.= 0) сопротивление го, управляемый генератор тока будут замкнуты и эквивалентная схема входной цепи транзистора приобретет вид (рис. 1.17).
С учетом того, что сопротивление запертого КБ перехода значительно больше сопротивления БЭ перехода (г6к»г6.э) эквивалентная схема (рис. 1-1” упрощается (рис. 1.18)
Рис. 1.18
253
По определению, для схемы включения транзистора с ОЭ на любой частоте:
. 1,UnS„ I6Sn Sn
’« '« 1 el уь-э1 * j0/reJ2 + (2л«С6, + С J)1 ’ <L3)
где I. = SnUn, | УБ._Э| — модуль проводимости между точками Б'—Э.
е di м дЕ IГ _ . < , , #
s" ' 5U7 * ди?= llT ' йлГ ,,,/rte ’
Так как h2b = 1кт Д^,. гэ — сопротивление эмиттера
L U = U->; (15)
Гб-Э = г1( 1 + ^Нэ)1 ( I 6)
На нижних частотах влиянием проводимости БЭ и БК переходов можно пренебречь, поскольку проводимость Сж, примерно равна нулю. С ростом частоты ее сопротивление уменьшается, увеличивается шунтирующее действие на БЭ переход, уменьшается U. и коэффициент передачи входной цепи. На граничной частоте по току коллектора ГЫ(Э, условие равенства абсолютных значений активных и реактивных составляющих проводимости БЭ перехода, позволяет определить величину емкости С6'э Z|‘
(1.7)
а отсюда, граничная частота по току коллектора
С>21» ~
зависит в основном от параметров базо-эмиттерного перехода.
Включение в коллекторную цепь реальной нагрузки приводит к возникновению параллельной отрицательной обратной связи по напряжению через емкость Ск, что увеличивает эквивалентную емкость С*, на СкКип.Таким образом,
Сж. = С^+ СД1 + KLn) = С6, + Сж<1 + R Sn), <1 •«)
где
Кс, = и_/и„ = I.R /ип = S„U„R ./и„ = S.R-;
С6_, = l/r^nf.j,, — Ск.
(19)
(1.10)
Как следует из рис. 1.18, с ростом частоты усиливаемого сигнала входное ^•противление транзистора уменьшается из-за шунтирующего действия Св. Лноврсменно уменьшается и коэффициент передачи входной цепи, т. с. коэффициент усиления транзистора. При уменьшении частоты влияние йжастся (из-за роста сопротивления) и входное сопротивление транзистора, Коченного по схеме ОЭ, становится чисто активным
+ Гбэ= г<5 + г>(1 + h21>). <1.11)
Входное солротиаление транзистора, включенного по схеме с ОЭ. состав-от сотен Ом до единиц кОм.
254
Глава вторая. Описание лабораторных раоигп ни uv и гллра
7.1.2 Эквивалентная схема выходной цепи транзистора
Приближенно считая транзистор невзаимным элементом, эквивалентную схему выходной цепи можно представить (рис. 1.19) 1
Рис. 1.19
Ток, создаваемый управляемым источником (I к = SnU„), протекает через выходную цепь транзистора. Свойства выходной цепи определяются сложной зависимостью эквивалентных параметров Соы, и R^,, от сопротивления источника сигнала и его частоты.
Полное выходное сопротивление транзистора с ростом частоты, как видно из эквивалентной схемы, достаточно быстро уменьшается.
Полагаем, управляемый напряжением U на промежутке Б'—Э, источник тока идеальным. Напряжение Щ выступает как источник ЭДС, параметры которого близки к идеальным при условиях (Ск « С^,, г6.к » г6.э), так как сопротивление базо-эмиттерного промежутка значительно меньше сопротивления коллекторно-базового промежутка. Поскольку сопротивление источника ЭДС равно нулю, то выходная емкость определяется емкостью коллекторного перехода С,ых = Ск. выходное сопротивление R,ux = г„.
Параметры эквивалентной схемы выходной цепи транзистора определяют: Ск — берут из справочника, а сопротивление г„ — определяют для выбранной рабочей точки методом треугольника по статическим выходным характеристикам или из справочника
r„=l/h2b=Vha6(l-h21i (1Л2)
Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОЭ, составляет от единиц до десятков кОм.
7.2 Свойства резисторного каскада по переменному току
7.2.1 Пути протекания переменных токов во входных цепях транзистор*
В резисторном каскаде (рис. 1.15) нагрузкой является чисто активное сопротивление (R6), что является достаточно редким случаем. При последов®' тельном включении усилительных каскадов нагрузкой является комплексно® входное сопротивление следующего каскада. Последовательное включение двух усилительных каскадов с резисторно-емкостной связью между НИМ
представлено на рис. 1.20. J
Включение между каскадами и между первым каскадом и источнике* сигнала разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2 создает для каждого касКйЯ независимые пути протекания постоянных токов, аналогичные указанным 14 рис. 1.15. I
Лабораторная работа J4s 1
255
Рис. 1.20
Источник входного сигнала отражает свойства предыдущего каскада и обладает ЭДС ег с выходным сопротивлением R,. Конденсаторы в цепи эмиттера С, и Скл необходимы для того, чтобы последовательная по напряжению отрицательная ОС, введенная для стабилизации рабочего режима транзисторов каждого каскада (раздел 7.1.1), не снижала коэффициент усиления.
При отсутствии конденсатора в цепи эмиттера создает падение напряжения на резисторе R, и, вне зависимости от причин изменения текущего значения тока базы (коллектора), механизм отрицательной ОС будет препятствовать всякому изменению тока базы. Включение параллельно резистору R, (R)CJ конденсатора устраняет отрицательную ОС по переменному току. Падения напряжения с частотой сигнала на параллельном соединении R,C,, обусловленного током коллектора во входной цепи, не будет, так кзк С обладает пренебрежимо малым сопротивлением на частоте сигнала. Коэффициент усиления будет равен коэффициенту усиления каскада без обратной связи.
Воздействие переменной составляющей в любой цепи равносильно приращению постоянной составляющей соответствующего тока. Считаем величины емкостей конденсаторов Ср. Сэ, С^ такими большими, что их сопротивление на рабочей частоте равно нулю; источник напряжения питания — идеальным (внутреннее сопротивление на частоте сигнала равно нулю).
На рис. 1.20, для указанной полярности источника входного сигнала в некоторый момент времени, приведены пути протекания переменной составляющей тока источника входного сигнала. Ток после Ср1 разветвляется и про-через R3 и к «-» источника сигнала; через Б—Э переход транзистора ,**. С, и к «—» источника сигнала; через R2, С6л, к «—» источника сигнала »» обеспечивает идеальность источника питания). Ток через КБ переход йзистора не протекает т. к. он заперт напряжением источника питания, ачительно превышающим амплитуду воздействующего напряжение от ис-^йика сигналов.
7.2.2 Протекание переменных составляющих токов в выходных целях транзистора
Источник тока, управляемый напряжением на Б—Э переходе (рис. 1.16), •^ет токи в подключенных к коллектору, внешних цепях. Для некоторого снта времени полярность источника, указанного на рис. 1.21, определяет
256 Глава вторая. Описание лабораторных раоот по ис и г ups
следующие пути протекания токов: от «+» источника выходного напряжения через R в коллекторной цепи, источник питания, выводы которого эквипотенциальны на рабочей частоте, по общей шине — «земле», конденсатор Q поступают на «—» источника; через разделительную емкость Ср2, Rj„ источник питания, общую шину, С,, «-* источника; разделительную емкость Ср2, общую шину, Сэ, «-» источника; разделительную емкость С^/Б—Э переход транзистора VT2, емкость Сэс1, общую шину, Сэ, «-» источника напряжения.Отсюда видно, что полезной составляющей тока коллектора транзистора VT1 является ток, протекающий через Б—Э промежуток. Я
Рис. 1.21
Эквивалентная схема выходной части транзистора VT1 (рис. 1.20) и входной части транзистора VT2 вместе с элементами цепи питания во всей области частот представлена на рис. 1.22.
Ср2 ।
Рис. 1.22
В эквивалентной схеме учтена паразитная емкость монтажа С„, учит«г вающая проводимость деталей относительно обшей шины усилителя. ВыхоГ ная цепь транзистора VTI содержит С,ых = С, и RBbls = го и сопротивление R« которого снимается усиленное напряжение. Следующий каскад на транзис^ ре VT2 описывается эквивалентной схемой входной цепи транзистора, где Ч личина эквивалентной емкости следующего каскада определяется (1.7)
^-жвс.1 - ^бэсл + CrcaSnegR_Ci, — Со-
Емкость Ср2 является разделительной емкостью, a R2ai и Rk, являю элементами цепи делителя следующего каскада.
Ifwyiltupiiua puuuiliu /
7.3 Частотные свойства резисторного каскада
7.3.1 Резисторный каскад в области средних частот
Полная эквивалентная схема резисторного каскада вместе с элементами связи (рис. 1.22) на рабочей частоте (f, = 1000 Гц) значительно упростится , 1С 1-23). Все последовательно включенные конденсаторы можно считать коротким замыканием (Ср2) из-за большой их емкости, а эквивалентный конденсатор (Сж,„ = Со) можно исключить из схемы из-за большой величины сопротивления на рабочей частоте (вследствие малой емкости).
г6 '
О сл
Рис. 1.23
Напряжение (14,«) на БЭ переходе следующего каскада (полезная составляющая) определяет величину входного сопротивления следующего каскада
э м; I) «к- ri< + ... . . (,14)
Сопротивлением нагрузки R. транзистора VTI является параллельное соединение резисторов: R, R.„, RJu, и R„„ >- ;
J_ = 1 —
R- R Rk,
I 1
R 3oi R m Cl
(1.15)
Тогда упрощенная эквивалентная схема каскада примет вид (рис. 1.24).
Коэффициент усиления по напряжению на средней частоте
K -LR snunR-
- Ц„ у„ у.. ’
(1.16)
= 1б(г» + Г*,) = UR., R„ - входное сопротивле-
ние —«ы SLLnR. 12 • е»/ и*'». '» ------ , •
Уси_1 Нзистора VTKI.11), тогда, с учетом (1.4), (1.5) модуль коэффициента
Ния по напряжению на средней частоте
K = h,l>I6r6 R = h [>R7R^
1 б К вя гбъ
(1.17)
214
tJO
l.luuu
Для расчета коэффициента усиления по току каскада на средней частот® на транзисторе VTI, воспользуемся определением ]
К,
!.«, = УЮс, SnUnR-
1б IfiRncl 1б^1ХС.1 1б^ися
^21э1бг6ч^~ _ 21эR
Г6Л м сл 1б R » сл
(118)
В каскадах предварительного усиления обычно R. = R„MC1 и тогда К., = К и тогда коэффициент усиления по мощности 1
Кр = К,К = h2152R./RMRM„. (1.19)
Для резисторного каскада (рис. 1.13) с учетом параметров входной цепи в области средних частот (ХСр| -> 0, рис. 1.19) модуль сквозного коэффициента усиления, определяемого как
K* = UBUX/Er, М
где UBUM = h2bI6R;, а ЭДС источника сигнала Er = I6(R. + г6. + г6.э) тогда | (1.20)
К* = h2„R,/(R. + гЛ+ г6).
Отсюда видно, что сквозной коэффициент усиления (1.20) на средних частотах зависит не только от параметров транзистора, но и от внутреннего сопротивления источника ЭДС. 'в
7.3.2 Резисторный каскад в области нижних частот
Эквивалентная схема резисторного каскада в области нижних частот (рис. 1.25) получается из общей эквивалентной схемы (рис. 1.22). Из схемы (рис. 1.22) исключены эквивавалентные конденсаторы С,ы, = С, и Сэ„„ = С(.,а вследствие их малости (большого сопротивления в области нижних частот. f->0).
На упрощенной эквивалентной схеме (рис. 1.25) эквивалентное сопротИ ление делителя на входе транзистора VT2 4М
1/Rjai= 1/R^ + 1/R*,, <,2j
Ср2= Ср, а входное сопротивление следующего каскада определяется (1.14>- I
(122)
С учетом параллельного включения и R,VCJ1 введем Ro= R*o R««/(R.>c»+ R.«cji)’ а эквивалентное сопротивление, включенное в коллекторную цепь
R,« = r„R/(r„ + R). (1.23)
С учетом введенных обозначений эквивалентная схема (рис. 1.25) примет вид (рис. 1.26).
Ср
Рис. 1.26
Применяя теорему об эквивалентном генераторе эквивалентную схему (рис. 1.26) можно привести к виду (рис. 1.27), где
ц.чэка - S.bLLRjK,, Внчж.- RjKB-
Найдем АЧХ и ФЧХ каскада, используя рис. 1.27. Поскольку
им эка
+ Ro + 1/>Ср),
то
(1.24)
Y(®)= „ IX
каскада на на средней
1R) lX<4 3«Ro/(Rнчэк»+ Ro+ i/j^Cp)-
Вводя нормированные частотные характеристики
К(со) _ U ,,, (o)U „ _ U (<>) и.ми.»" и_ ’
пХ, = — коэффициент передачи (усиления)
нзвольной частоте, а К = UBUX/U„ — коэффициент усиления 4стоте.
□, Считая, что амплитуда входного напряжения поддерживается постоянной ’йобой частоте
|U..(®)I = IUJ = c°nst,
получаем
Y(co) =
___иж« + Rq)________________ (RH э„ + Ro + l/jcoCp)UH ж„
_____________R .. т<» Rq______________
(RH жв + RJ(I + l;jwCp(RH + R0))
(1-25)
Модуль нормированной частотной характеристики имеет вид
Y = |Y(o)| = 1 . (1.26)
Jl + (l/jcoCp(R„ 3ltB +Rn))2
Нормированная АЧХ (1.26) и ФЧХ ф = arctg (lm(Y(co))/Re(Y(o)))) имеет вид (рис. 1.28)
Рис. 1.28
Из рис. 1.28а видно, что с ростом частоты модуль АЧХ стремится к единице (о -> ®, Y -» 1). При уменьшении частоты, модуль АЧХ уменьшается, так как 1/<оС0->а>. На рабочей частоте считаем, что 1/<оСр-> 0.
Величина частотных искажений М„,= 1/Y (обратная модулю нормированной частотной характеристики) позволяет оценить значение нижней граничной частоты юмч по заданной величине частотных искажений (обычно W уровню 0,707).
1 _ 1___________________________
Л 71 + (l/coCp(RH _ + R0))2 '
откуда получим значение нижней частоты среза fM по уровню 0,707
Л = 7, + <lA)Cp(RH - |
и определим величину разделительной емкости Ср, обеспечивающей заданн линейные искажения ’w
fH=l/2^Cp(RH.13„ + Ro). <|2|
Из (1.27) видно, что увеличение разделительной емкости Ср уменьшаете
нижнюю частоту среза (увеличивает полосу пропускания усилителя) для 33
Лабораторная работа № 1
261
анной величины линейных искажений (рис. 1.26 а) или уменьшает линейные искажения ПРИ заДанной м>«-
При заданных требованиях к величине линейных искажений Мн.р опредс-пить значение разделительной емкости можно из соотношения
Cp=l/2nfH,(RW(W1 + R0)7M[ -1.
Улучшать частотные свойства каскада путем вариации RH4M> и Ro возможно выбором транзистора и его режима по постоянному току.
7.3.3 Резисторный каскад в области верхних частот
Эквивалентная схема резисторного каскада в области верхних частот получается из полной эквивалентной схемы (рис. 1.22) исключением разделительного конденсатора Ср имеющего малое сопротивление (l/wCp -> 0) для реальных устройств (рис. 1.29).
Заменив параллельное соединение резисторов го R, R4C. эквивалентным сопротивлениием Rr схему (рис. 1.29) можно упростить (рис. 1.30)
Рис. 1.30
Где
— =1 + J- + 1
R, R + го + R,^ ’
. сопротивление эквивалентного генератора. Воспользовавшись теоре-и об эквивалентном генераторе представим рис. 1.30а в виде рис. 1.305, за-е1<ив генератор тока эквивалентным источником ЭДС Ur = S„UnRT Исполь-
. С1Це раз теорему об эквивалентном генераторе получим более удобную для ^Иза эквивалентную схему каскада (рис. 1.31).
Л AUHU HIHUJ/UM. MHUVU/IMC /*~v
На рис. 1.31 источник эквивалентной ЭДС представлен эквивалентным генератором Я
и,^ R г * Гв^сл
с внутренним сопротивлением
D = Г *6хл )Г6-> Ы
"*• Rr 7 Гв„ + Гв,„
Ток. образованный источником ЭДС,
_____— >«»_____
R. ж. ♦ l/jwC0 ’
(1.28)
создает выходное напряжение (напряжение на БЭ переходе следующего транзистора VT2)
и = и =___________-• >,д______— =_______
R„ „ +l/jcoC0 j<oCo l + j®C0RiM. . .
Проводя нормирование выходного напряжения по отношению к напряжению на средней частоте U„„ ср, получаем выражение для относительного коэффициента передачи
Х(ш)= 1/(1 + j<»C0R„41J- <129)
Амплитуда выходного напряжения на средней частоте UMir.P = LL.«» вследствие относительной малости эквивалентной емкости Со. определяемой* основном емкостью БЭ перехода следующего транзистора. Модуль нормированного коэффициента передачи (1.30) Я
Y = |Y(<e)|« I/x/U(g>C0R. м.)’.
(1.30)
оставаясь частотно-независимым в области средних частот, на верхних часД тах уменьшатся. Спад начинается тем раньше (больше частотные искажениям чем больше эквивалентная емкость Со и сопротивление эквивалентного геН ратора (рис. 1.30). : J
Значение граничной частоты f„ определяемой по уровню 0,707 из усло**И
1/Л = 1/^'1 + (wCcR, m,)j,
^лиииригиирнам paooma j\s /
263
находится как
f.= l/2nC0R,.)3K1. (1.31)
Отсюда видно, что верхняя граничная частота уменьшается с ухудшением частотных свойств транзистора (большая емкость БЭ перехода) и ростом эквивалентного сопротивления. Считая эквивалентный источник ЭДС идеальным (Ur,“ const) с повышением частоты увеличивается ток генератора (1.28) из-за уменьшения сопротивления емкости Со, что увеличивает падение напряжения на сопротивлении И,чэи1, а значит уменьшение падения напряжения на Со, т. е. выходного напряжения (12псл). Применение высокочастотных транзисторов уменьшает емкость Со, увеличивая таким образом верхнюю граничную частоту при том же уровне искажений, т. е. увеличивая полосу усиливаемых частот.
Величина частотных искажений для известных параметров транзистора и цементов принципиальной схемы определяется соотношением
М„ = 1 /Y = 71 + (<oC0R. м,)2. (132)
Приведенные выше теоретические сведения помогают понять физические явления, лежащие в основе работы усилительных каскадов предварительного Усиления на биполярных транзисторах, рассчитать основные технические показатели усилителя. Приведенные формулы используют параметры эквивалентной схемы Джиаколетто и сведения из справочников.
Пример расчета параметров транзистора VT1
Для указанного в приложении режима по постоянному току транзистора
*1 рассчитаем основные параметры модели:
сопротивление эмиттера г, = 25,6/1к0[мА] = 25,6 Ом;
сопротивление БЭ перехода г6.э = г,(1 + h2l;>) = 1945 Ом;
крутизна БЭ перехода Sn = Ь2|э/гв.э = 38 мА/В;
постоянная составляющая базового тока 1^, = I,0h2|3 = 13,3 мкА;
амплитуда напряжения на переходе Un = 25 мВ,
входное сопротивление транзистора при включении транзистора по схеме °Б h|.e = r,+ r6./h2l> = 26,4 Ом;
емкость БЭ перехода С6э = 1/штгэ = 7,8 пФ;
j()4 /лава вторая, иписание лагн>риторных рииит ни ul и i ирг
сопротивление между коллектором и эмиттером гж. = I/hK> = l/h,M(|J + h2IJ) = 43,8 кОм;
сопротивление коллекторно-базового перехода ге< = 25гк>= 1,095 мОм; I
крутизна транзистора в рабочей точке
________Ьц»__________
(1 + h,,, )h ||6( 1 + у*)
= 37.4 мА/B,
где Y. = f/f,= 3,26 ЮЛ
(eVA= 307 мГц.
Аналогично рассчитываем параметры транзистора VT2.
8 Литература
1. Усилительные устройства / Под ред. О. В. Головина. Мд РиС, цЯ
2. Головин О. В.. Кубицкий А. А. Электронные усилители. М.: РиС, 1983. 323 с.
3. Разсвиг В. Д. Система схемотехнического проектирования Micro-CAP V. М.: СОЛОН, 1997. 273 с.
4. Попов В. П. Применение ППП Micro САР для автоматизированного анализа цепей / ТРТУ. Таганро!, 1995. 85 с.
5. Радиоприемные устройства: учебник для вузов / Под ред. Н. Н. Фомм-1 на. М.: РиС, 2003. 515 с . n(J
6. Логвинов В. В. Резисторный каскад предварительного усиления (компьютерное моделирование — лаб. работа) / МТУСИ. М., 1997. 10 с.
7. http://AVWW.spectrum-soft.com/demofbrni.shtm (адрес в Internet для nd лучения студенческой версии ССМ МС).
Приложение d
Параметры транзисторов VT1 и VT2 (КТ 316В):
h2„ = 75, fT = 800 МГц, г6. = 66.7 Ом, С, = 3 пФ. Я
Режим работы транзисторов:
VT1: 1ож1 = I мА; , * I
VT2: 1оС = 2 мА. .
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ОУ
1 Цель работы
Изучение физических принципов действия и свойств базовых структур ОУ, определение основных технических показателей усилителя мощности на основе ОУ и исследование частотных и временных характеристик с использованием системы схемотехнического проектирования MicroCap8 (МС8).
2 Задание
2.1 Расчетная часть
Используя данные о величине компонентов параметров принципиальной схемы усилителя (рис. 3.1). Чи' ' *'• *
2.1.1. Рассчитать коэффициент усиления ОУ по напряжению при подаче сигнала на неинвертирующий вход.
2.2 Экспериментальная часть
Для компьютерной модели усилителя мощности, изображенного принципиальной схемой рис. 3.1
i 2.2.1. Получить АЧХ на выходе ОУ и усилителя мощности и оценить зна-ения коэффициента усиления по напряжению на рабочей частоте.
п Оценить значения f, по уровню 0,707 по АЧХ, рассчитанным в
vc 2-2.3. Оценить изменение коэффициента усиления и Г, по АЧХ на выходе Илителя при вариации сопротивления обратной связи (R7) от 1 до 5 кОм.
v ( 2-2.4. Оценить изменение коэффициента усиления и f, по АЧХ на выходе ^илителя при вариации сопротивления нагрузки (R9) от 100 до 1000 Ом для чсний остальных компонентов, соответствующих рис. 3.1.
_ 2.2.5. Полу-чип» переходные характеристики на выходе усилителя для па-i]_''vtP°b схемы, указанных на рис. 3.1. Оценить время фронта выходного Чесса для различных значений сопротивления обратной связи.
266 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
2.2.6. Получить амплитудную характеристику усилителя. Оценить коэф, фициент гармоник на выходе усилителя для рахтичных значений уровня вход, ного сигнала.
2.2.7. Получить амплитудную характеристику для малых значений ампл J туды входного сигнала. Оценить напряжение смещения.
2.2.8. Получить переходную характеристику при действии на входе усиди, теля биполярного сигнала.
3 Описание принципиальной схемы
усилителя I
Исследуются свойства наиболее распространенной схемы усилителя (рис. 3.1) мощности на основе операционного усилителя (ОУ). Интегральнц схема (ХЗ) К140УД18 реализует широкополосный операционный усилитель общего назначения. Кроме ОУ исследуемая схема содержит каскад усиления тока на транзисторах разной структуры n-p-n КТ31О2А (Q1) и р-п-р типа КТ3107В (Q2), что позволяет улучшить симметрию плеч. Входное воздействие подается на неинвертирующий вход ОУ, а инвертирующий вход заземляется. Резисторы R7 и R6 реализуют цепь, создающую отрицательную обратную связь (ООС) параллельную по входу и выходу. Часть выходного напряжения подается с выхода усилителя на инвертирующий вход ОУ (падением напряже-ния на открытых эмиттерных переходах транзисторов можно пренебречь). Резистор RI0 обеспечивает требуемый уровень сигнала на входе оконечного каскада. Для заданного значения сопротивления нагрузки усилителя (R9) выходная мощность Рвых (PWJX= U2,ux/Rh) ограничена максимальным выходным напряжением ОУ, а оно, в свою очередь, напряжением питания и допустимым подавлением напряжения синфазного сигнала. Достаточно глубокая ООС приводит к значительному ослаблению синфазного сигнала (коэффициент усиления по напряжению существенно больше единицы). Питание схемы осуществляется от двух источников V7 и V8 с напряжением 22 В. I
^78
Рис. 3.1
Лабораторная работа № 3
2 67
4 Методические указания по выполнению работы
4.1 Расчетная часть
Расчет дифференциального коэффициента усиления усилителя проводит-
ся С учетом того, что входное сопротивление ОУ значительно больше внешних (подключенных) сопротивлений, выходное сопротивление ОУ значительно меньше внешних сопротивлений. Коэффициент передачи выходных каскадов, выполненных по схеме с ОК, равен единице.
4.2 Машинное моделирование
Исследование свойств усилителя мощности в частотной и временной областях на основе ОУ проводится с использованием принципиальной схемы усилителя. Анализ проводится с учетом свойств источника сигналов, активных элементов и особенностей описания их моделей. Принципиальная схема усилителя и особенности использования ОУ являются наиболее типичными для реальных устройств аппаратуры широкого применения.
Машинный эксперимент проводится с применением системы схемотехнического моделирования MicroCap 8 (МС 8). Элементы электрической принципиальной схемы описываются с помощью встроенных математических моделей компонентов, которые не могут быть изменены пользователями и
можно варьировать лишь значения их параметров.
Предполагается, что:
• студенты знакомы с основами операционной системы WINDOWS 98 или более поздними версиями;
• имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии по указанному в п. 8 описания адресу, получить инсталляционные файлы демонстрационной (студенческой) версии программы mc8demo.exe или приобрести эту программу на CD дисках.
Демонстрационная версия содержится b.ZIP файле (ее можно раскрыть программой PKUNZIP). Запуск программы осуществляется программой atTLP.EXE. После завершения установки формируется папка Micro Сар8 orking Demo для быстрого запуска МС8. В подкаталог MC8demo\data заносятся файлы схем, имеющие расширение .CIR, и библиотеки математических м°Делей компонентов в файлах с расширением.LBR.
н После установки и запуска программы mc8demo.exe в верхней части экра-Монитора появляется окно главного меню с панелью команд (рис. 3.2).
Меню главного окна представлено второй строчкой сверху. Оно состоит команд: File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, Help. Верхняя вЛ°Чка главного окна укажет присвоенное ЭВМ или, выбранное Вами, имя зу,лимоЙ схемы в подкаталоге \DATA с расширением .CIR, которое исполь-Д'451 описания схемы во внутреннем формате МС8 (вначале ЭВМ при-рсЛИвает Формируемой схеме имя CIRCUIT с некоторым порядковым номе-’ которое при выходе из программы можно заменить на любое другое).
Ко Применяемые в принципиальной схеме наиболее часто встречающиеся Роненты (конденсаторы, резисторы) выбираются курсором (рис. 3.2), ак-
268
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 3.2
тивируются левой кнопкой (например, резистор) мыши и затем помещаются в выбранном месте главного окна при повторном нажатии на левую кнопку. Удерживая нажатой левую кнопку мыши можно врашать компонент, шелка» правой. При отпускании левой кнопки местоположение компонента фиксируется и на ниспадающем меню Resistor предлагается присвоить ему позиционное обозначение (PART), указать его величину (VALUE), а также другие, * используемые при выполнении лабораторной работы, параметры. Присвоенные значения могут изображаться вместе с компонентом в главном окне, ecfl подсвеченный параметр помечен галочкой Show (рис. 3.3). При вводе значения параметров допускается использование масштабных коэффициентов: J
1 Значение 6 10 3 ’ 10 -3 10 19 Ю -12 10 -15| 101
। Префикс MEG К м и N 1»
(Стел форма 10Е<€ 1QE+3 10Е-3 10Е-6 10Е-9 10Е-12 10£-15j
.и?
Масштабный коэффициент может содержать и другие дополнителЫ’1^ символы, которые программа игнорирует. То есть величина емкости в может быть введена: 5 PF или 5 Р, или 5Е-12.
Подтверждением окончания ввода любого компонента является наЖ*1^ кнопки ОК. Если неверно введены какие-либо сведения, то нажатие кноПЧ Cancel отменяет всю введенную информацию о компоненте.
Забораторная работа J\« j
269
Рис. 3.3
Альтернативным вариантом ввода параметров компонентов является использование меток (labels), когда на принципиальной схеме какому-либо резистору задастся в качестве параметра не значение его сопротивления, (например 50 Ом), а вводится метка (например, R2) и затем с помощью текстовой директивы .DEFINE задается значение этого сопротивления в виде
• DEFINE R2 50
Эта директива вводится в текстовом режиме меню инструментов.
В рамке Display (рис. 3.3) выключателями задаются условия отображения в окне схем компонента: с помеченными выводами (Pin Markers), названиями выводов (Pin Names) или пронумерованными выводами (Pin Numbers). Мы ограничимся лишь выводом на экран токов (Currents), значением мощности ( owers) и условий эксперимента (Conditions). . л
Поочередно активизируя в левом высвеченном окне строку Part,позиционное обозначение компонента. Value — величина вводимого резистора под-РЖдаете предложенный вариант, переходя на следующую строку, или вво-Те новое значение соответствующего параметра. Строки FREQ — опредс-к>Щую частотную зависимость сопротивления резистора, MODEL — тип Рнменяемого резистора, его стоимость — COST, и рассеиваемую на нем ^Щность — POWER можно не заполнять, поскольку в лабораторной работе исследуется влияние частотной или температурной зависимости парамет-L рсзистора нс свойства каскада. Не проводится также и конструктивная , м Pa6°TKa макета предоконечного усилителя, когда является важным пара-k тепловые характеристики компонентов и их стоимость.
270
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Активные кнопки внизу ниспадающего меню Resistor позволяют при и* нажатии:
£)К — подтвердить правильность введенной ин
рмации и продолжить
выполнение задачи;
Cancel — отказаться от введенной на этом подменю информации;
£ont — изменить шрифт и стиль выбранного атрибута;
Add — добавить атрибуты к описанию компонента; 1
Help — файл помощи;
Syntax — показывает описания простейших компонентов в формате Spice;
Expand — вызывать файл данных и в выбранном курсором текстовом пате проводить редактирование или вводить большой объем текстовой информации;
Help Ваг — переключает дисплей в режим Help. Дает краткое описание
ключам окна схем и описывает возможности управления курсором.
При необходимости коррекции отдельных элементов принципиальной схемы необходимо сначала его удалить. Для этого вначале активизируют режим редактирования элементов и компонентов схемы (Select Mode, рис. 3.2). Затем, подведя курсор к компоненту, нажать левую кнопку мыши. При этом подсвечивается, обычно зеленым светом, компонент или соответсвующий текст в окне схем и затем, войдя в меню EDIT, на выпадающем подменю выбирают CUT (рис. 3.4) и удаляют необходимый атрибут схемы нажатием левой кнопкой мыши. Альтернативным вариантом при удалении компонентов является применение пиктограммы CUT (или Ctrl-X) на панели инструментов (ножницы) в окне схем, которая активизируется только при нажатии кнопки Select Mode (рис. 3.2).
Аналогично вводятся конденсаторы. На панели инструментов главного окна активизируется пиктограмма конденсатора и на выпадающем меню Capacitor: Capacitor задаются параметры конденсатора.
Соединительные линии между компонентами «прочерчивают» выбрав на панели инструментов главного окна пиктограмму линии (рис. 3.2). Установить курсор в начале будущей линии и нажать левую кнопку мыши. Удерживая кнопку в нажатом положении, проводят линию до вывода очередного компонента или местом соединения с другой линией. W
При вводе транзистора типа PNP, которого нет в списке основных компонентов окна схем, необходимо сначала выполнить команду Component в меню главного окна и на дополнительном меню, разворачивающемся вправо» выбрать Analog Primitives, а из предлагаемого перечня устройств выбрать Active Devices, а затем, на закладке активных компонентов, PNP (рис. 3.5).
В дальнейшем, при повторном вводе транзистора такого типа проводимо*! сти, выполняемая команда Component уже содержит данный тип транзистору на выпадающем меню и достаточно лишь активизировать в нем соответствуя» шую строку. j V
При нажатии на левую кнопку мыши на ниспадающем меню (рис. З-ЭД PNP Transistor выбирается позиционное обозначение компонента (PART), Я3' чинаюшееся по умолчанию с буквы Q, затем его характеристика VALUE, ОЙ' ределяющая активный режим, и тип транзистора MODEL. Активизацие*!
Лабораторная работа Л5 3
271
Рис. 3.4
Рис. 3.3
иин^/ил. uhmvuhmc ^ui^/jiu/шцтыл puoom no L/C и 1Ч!рУ
Рис. 3.6
строки в правой колонке меню можно выбрать тип транзистора из предложенного перечня. Л
Поскольку в библиотеке МС8, представленных в колонке справа, нет отечественных транзисторов, то необходимо ввести параметры модели транзистора КТ3107В. Для этого, после ввода выбранного позиционного обозначения транзистора (PART), характеристики, определяющей активный режим (VALUE, можно не вводить), выбирается строка MODEL (рис. 3.6) и нажатием на кнопку NEW задаете переход в режим ввода параметров новой модели тразистора. В рамке Value вводится название транзистора КТ3107В вместо New Model!. Параметры модели Эберса — Молла биполярного транзистора KT3I07B:
IS = 2.11 If, BF = 145.2. VAF = 68.5, IKF = 0.242, ISE = 7.338p, NE = 2.367, BR = 7.573, VAR = 32, 1KR = 25m, ISC = 1.55p, NC = 2, RB = 25.5, RC = 0.75, CJE= 13.01, VJE = 0.69, MJE = 0.35. CJC=U.86p, VJC = 0.69, MJC = 0.33, FC-0.5, TF = 474p, XTF — I, VTF = 25, ITF-0.15, TR = 20.11N, EG = Lil. XTB = 1.5, XTI — 3 вводятся вместо представленных программой МС8. Д4 этого, войдя в подсвеченное окно выбранного параметра, стрелкой вверх)' клавиатуры удаляете, записанные там значения, и вводите новые. Смысл обо* значений и способ определения параметров можно найти в |2]. .
Как видно из рис. 3.6 параметры модели транзистора могут уже содер' жаться в библиотеке МС8 (если в методических материалах имееется дискет* с описанием файла VOAM). Л
Лабораторная работа У? 3
2
Аналогично вводятся параметры транзистора К.Т3102А:
IS = 5.258Г, BF = 185.1, VAF = 86, IKF = 0.4922. ISE = 28.2 In. NE = 7.42: BR= 2.713, VAR =25, IKR = 0.25, ISC = 2l.2p, NC = 2, RB = 52, RC=|.6 ,-tE=ll.3p. VJE = 0.69, MJE = 0.33, CJC = 9.92lp, VJC = 0.65, MJC = 0 3 PC = 0.5, TF = 611.5p, XTF=2, VTF = 80, ITF = 0.52, TR = 57.71n, EG = 1.1 XTB ~ 1-5, XTI = 3 (рис. 3.7, или выбирается активизацией строки с наименс ванием выбранного транзистора в библиотке транзисторов подменю \РЬ KPN Transistor).
Рис. 3.7
Для ввода параметров ОУ необходимо активизировать пиктограмму ОУ на игроке основных компонентов (рис. 3.2). с последующим выбором необходимого типа микросхемы из встроенной библиотеки (рис. 3.8) в подменю Оратр:Орагпр. Выбранная микросхема LF355. соответствует по своим параметрам ОУ КТ140УД18 |3). r, t . г.
При отсутствии ИМС необходимого типа во встроенной библиотеке необходимо ввести параметры модели ОУ, по аналогии с вводом параметров П>анзистора КТ3107В. Нажав при активизированной строке MODEL кнопку ^ew, последовательно заменяя параметры:
LEVEL = 3. TYPE = 3, С=10р, ROUTAC = 50, ROL’TDC = 75,
VOFF = 3M, 1OFF = Зр, SRP = 3MEG, SR\=6MEG, IBIAS = 30P, VEE =-22,VCC = 22, VPS =12.9, VNS = -12.9. GBW = 2.5MEG. Указанные Параметры и смысл принятых обозначений можно найти в [2, 3).
274
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
o Micro-Cap В. 1.0.0 Evaluation Version - [C: 0pamp:0pamp
gru- ccH JT-kiUu'^ **2*2* СХ<<Жб
RDJHCpO
: 1ЭГ * IF fcASfxF
. , wPS ft?
Ь**|2>1Ей
T.REL.SLLbAl рк«.«
-
|mOD£L
। Г РгМвЛмГ FV чатим Г "rOKirtru Р Сшем Р Pow Р Cxdttx ;<*»
RW=-
ins LHSk LEM?
J* inr inw
| ft. | Сахе* | Fyt [ Add $<<ж 1 I E I
VO₽F[jM
wep-OPfijlO
T_/*S
iaMCoLxWWrf «еа iC\MC3CfM02>lAw0AP OR
CHOP r:«ike
SRPILMIG
WE! 22
MtSl !J
pm|« 1>UijA£: |^>r<4 lJ4l LOOM. I^re4
ПОПП
7 ЛУСК
Мои GO.v^eHTt i U ЛАЬ^ХО’Л) ..
a <W5(4U- OMcroCap8.i...
Рис. 3.8
Для получения частотных характеристик усилителя необходимо включит^ на его вход генератор гармонических колебаний.
Тип генератора можно выбрать, используя строку основных компонентов в главном окне, и затем выбрать из большого числа моделей генераторов с различной формой сигнала, с модуляцией или без модуляции и т. д. Поскольку можно ограничиться моделью генератора гармонических колебаний без какой-либо модуляции то, выбрав команду Component меню главного окна последовательно выбрать на выдвигающихся вправо подменю: Analog Primitives-* Waveform Sources -> Sine Source (рис. 3.9). Появляющееся изображение моде-i” генератора и подменю параметров Sine Source: Sine Source позволяет задать его параметры (рис. 3.10).
Подменю Sine Source построено по традиционной форме, использовав* шейся ранее при вводе резисторов, конденсаторов и др., поэтому назначен^® кнопок, пиктограмм и вводимых параметров известно jP
Параметры генератора (частота, амплитуда и др.) отличны от предлагав мых в библиотеке МС8 поэтому ввод начинают с выбора позиционного об<^ значения компонента (PART предлагается V10), а в строке MODEL ука на ввод новой модели генератора, нажав кнопку' New под левым окно Ведя затем название генератора (например, SN) в окне Value установить следовательно курсор в окнах параметров генератора ввести требуемые па меты опганизовав Лайл данных источника сигнала: Source Local text area
Лабораторная работа Л? 3
275
Рис. 3.9
D..-
1 1Л
276 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
С:\ MC8\DATA\VOAM,CIR (рис. 3.10). В качестве параметров генератора з даются: I
F — частота несущего колебания — I = кГц; 1
А — амплитуда несущего колебания — 100 мВ;
DC — значение постоянной составляющей сигнала — 0 В; 1
PH — начальная фаза несущего колебания — 0 рал: Я
RS — внутреннее сопротивление генератора — 10с-3 Ом;
RP — период повторения (для сигнала, имеющего форму отрезка сии соиды) — 0 сек;
TAU — постоянная времени затухания огибающей сигнала (при эксп! ненциальной форме затухания амплитуды сигнала) — 0 сек. Я
Подключение батареи источника питания завершает ввод приниипиал ной схемы усилителя. Я
Выбрав нажатием на левую кнопку мыши пиктограмму батареи пане; инструментов (рис. 3.2) переходят на выпадающем меню в режим задания п раметров батареи (рис. 3.11). Я
Рис. 3.11
Выбрав обозначение батареи на принципиальной схеме V7 (PART) и * личину создаваемого напряжения 22 В (VALUE 22V), нажатием на кнопку С подтверждают правильность ввода параметров (PACKAGE, COST, POWER вводятся). Появившееся изображение батареи устанавливают в принцип»!**-ную схему с учетом типа проводимости транзистора и вывода цепи питан ОУ. Другой источник питания, с теми же параметрами и обозначением вводят аналогично, подключая к другому выводу цепи питания ОУ (с уч^ mefiveMofl поляпностик
Лабораторная работа .Vs J
277
Обтая электрическая шина («земля») обеспечивает протекание токов в цепях с разным количеством выводов (двухполюсники, трсхполюсники, четырехполюсники) и рахтичным функциональным назначением. «Земля» вводится установкой курсора на ее условное обозначение на панели инструментов равного окна и нажатием на левую кнопку мыши. Устанавливая курсор в виде символа «земля* в нужном месте схемы, повторным нажатием на левую кнопку мыши фиксируют его положение.
Завершив ввод активных и пассивных компонентов принципиальной схемы, проверьте их на соответствие со схемой на рис. 3.1 (источник входного воздействия должен быть SN-генсратор гармонических колебаний). При необходимости проведите коррекцию элементов схемы. '
Проведение анализа частотных свойств усилителя предваряет нумерация узлов принципиальной схемы нажатием на пиктограмму Node Numbers.
Для выпатнения п. 2.2.1 войдем в режим анхтиза активизацией левой кнопкой мыши команды Analysis меню главного окна.
Рис. 3.12
На выпадающей закладке выбирается режим анализа частотных характе-реСТИк АС. Нажатием левой кнопкой мыши при подсвеченной строке АС пе-h ,дим к заданию условий анализа на выпадающем подменю AC Analysis цзаданию пределов анализа, способа проведения анализа и представле-
4 На экране монитора результатов анализа.
278
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
В окне AC Analysis Limits (рис. 3.13) задастся следующая информация: J Frequency Range — значения верхнего и нижнего пределов частот анализа; Number of Points — количество точек в заданном частотном интервале, в котором производится расчет частотных характеристик и полученные значения выводятся в форме графика или таблицы (если это указывается); если в строке Frequency Range выбрано Auto, то, число точек на заданном интервале интегрирования, будет 51 и шаг интегрирования будет выбираться автоматически. это может приводить к большим погрешностям вычислений; 1
Temperature — диапазон изменения температур (может задаваться одно значение, при котором проводится анализ);
Maximum Change — максимально допустимое приращение функции на интервале шага по частоте (учитывается только при автоматическом выборе шага — активизация процедуры Auto Scale Ranges); .
Noise Input — имя источника шума, подключенного ко входу второго каскада, Noise Output — номср(а) выходных зажимов, где вычисляется спектраль-,
ная плотность напряжения шума;
Run Options — определяет способ хранения полученных результатов:
Normal — результаты расчетов нс сохраняются;
Save — результаты сохраняются на жестком диске;
Retrieve — использование результатов расчета, хранящегося на жест* ком диске, для вывода на экран монитора, State Variables — задание
начальных условий интегрирования.
На экран монитора, в соответствии с рис. 3.13 выводится график (актив! зирована кнопка рядом со столбцом Р) коэффициента усиления (YExpressio в зависимости от частоты (XExpression) в узле 8, на выходе усилителя, и
узле 6, на выходе ОУ, с пределами значений для каждой из них, определяем форматом: максимальное значение выводимой переменной, ее минималь значение и шаг сетки значений соответствующей оси (частота, коэффииис передачи). Характер изменения значений по оси абсцисс — логарифми ский, а по оси ординат — линейный, что выбирается нажатием двух лев крайних кнопок в строке выводимых значений. Графики выводятся в одн
MAC Analysis Limits
Рис. 3.13
Лабораторная работа № 3
279
системе координат (в обеих строках столбца Р — Plot — указана одна и та же цифра)-
В столбцах XRange и YRange указываются: верхний и нижний пределы значений переменной, выводимой на экран. Третья цифра определяет шаг сетки по соответствующей оси.
Примечание: для увеличения числа графиков выводимых на экран монитора необходимо нажать на кнопку' Add, а для уменьшения (удаления строки) — размещаете курсор в одном из окон удаляемой строки и нажимаете кнопку Del.
В соответствие с рис. 3.13, по оси абсцисс (частот) выбран логарифмический масштаб, а по оси ординат — линейный.
Для заданных условий моделирования характер АЧХ представлен на рис. 3.14.
Для нахождения верхней граничной частоты fmrp для величины линейных искажений, составляющих 3 дБ, найдем значение коэффициента усиления на рабочей частоте (1 кГц), используя пиктограмму PEAK. Затем сдвинув маркер на частоту 1 кГц определим точное значение коэффициента усиления на этой частоте — Кср. Нажатием на пиктограмму Go То У (в окне результатов вычислений. рис. 3.14) в окне Value выпадающего подменю Go То Y (рис. 3.15) вводим значение 0,707Кср и нажимаем на кнопку Right. Маркер определяет положение верхней граничной частоты fB4rp. Полученные результаты заносите в табл. 1.
-1 * л
280
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
о Micro-Cap 8-1 0.0 Evaluation Version - [AC Analysis] - □ X
.*/ пуск Ф/ОДРВЫМ- OMcn&CpB WAC^rah^s »'<E •
1*mc. 3.15
Для выполнения п.2.2.3. необходимо войти в подменю AC Analysis Limit (рис. 3.16), нажав на кнопку Stepping, выбрать режим варьирования одного и компонентов принципиальной схемы усилителя. Нажав на кнопку раскрыт и окна в строке Step What, активизируем строку, содержащую сопротивлени обратной связи R7 (рис. 3.17).
Run
AC Analysis Limits
Numoei oi Porb leaoeatMe |Lr**j М>«тжд?. Charge X
W -
XExpetsbr
fioo. 150
Ршс 1.16
ГО-70СГ foe’ic
BcftOptora |н
$Ute F
ОМЕ
100.-15С.50
т Е<»ию>
Лабораторная работа № 3
28J
Рис. 3.17
Затем вводим From — значение, являющееся минимальным, с которого начинается изменение R7, То — верхняя граница изменения величин R7, с шагом — Step Value (рис. 3.18). Установка точки Yes в рамке Step It подтверждает режим варьирования параметров.
Рис. 3.18
В рамке Method отмечаем кнопкой закон изменения компонента Linear ’near — линейный, Log — логарифмический или List — в соответствии со Иском). В рамке Parameter Туре кнопкой помечаем вид варьируемого эле-еНта: Component — компонент (Model — модель, например, источника сигнала).
В рамке Change (изменение) выбирается (помечается точкой) способ иэ-сНения шага при вариации параметра элементов: только во вложенных цик-Программы (Step variables in nested loops) или всех подлежащих изменению
282
Глава вторая, описание лиииратирныл puuutn ни сv и л uyj
параметров одновременно (Step all variables simultaneously). В первом слуЧае существует возможность независимого выбора шага для каждого параметра. Во втором случае необходимо изменять варьируемые параметры с одинаковы^ шагом, что ограничивает анализ всего одним возможным вариантом. Кнопки в нижнем ряду All On, АП О1Т включают режим варьирования (Step It) перечисленных на всех закладках в режиме Stepping параметров. Кнопка Default по умолчанию задаст изменение варьируемого параметра от половинного д0 двойного значения от его номинальной величины. Подтверждение выбранного режима анализа и вход в него осуществляется нажатием кнопки ОК. Для варианта значений сопртивления R7. указанного на рис. 3.18, получается семейство (рис. 3.19) кривых (последовательно войдя в режим АС и затем Run).
Оценка значения граничной частоты по уровню 0,707 для минимального значения варьируемого компонента проводится по ранее рассмотренной методике. Для того, чтобы проделать это для других значений сопротивления ОС необходимо нажать на пиктограмму Go То Branch (переход на другой гра' фик, рис. 3.20).
На выпадающем подменю Go То Branch в окне результатов (рис. 3.21) нажимаем на кнопку раскрытия окна R7.Value и активизацией строки (напрй' мер, 4000) выбираем значение варьируемого сопротивления, которое буД^ представлено на семействе кривых красным цветом. I
лабораторном работа № 3
28;
Рис. 3.20
Рис. 3.21
284 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Нажимая кнопку Left переводим левый маркер на кривую коэффициента усиления для R7 = 4000 Ом на частоте I кГц (Kv,).Вычисляем значение коэффициента усиления, соответствующего граничной частоте 0,707^ и, нажатием на кнопку Right (рис. 3.22) переводим правый маркер на кривую при выбранной величине сопротивления R7 (4000 Ом). Выходим из подменю Go То Branch, нажимая кнопку Close и входим в подменю Go То Y (рис. 3.19) и указываем в окне Value, значение, соответствующее 0,707получая значение rpa-i ничной частоты для R7 = 4000 Ом. Затем входим в подменю Go То Branch и повторяем указанную последовательность действий устанавливая новое значение сопротивления обратной связи. Значение коэффициента усиления на средней частоте и граничной частоты для очередной величины R7 заносим в табл. 1. 1
Повторите моделирование п. 2.2.4 для вариации сопротивления нагрузки
R9. Результаты занесите в таблицу 1.
Для выполнения п. 2.2.4 необходимо в исходной схеме генератор гармонических колебаний SN заменить генератором импульсных сигналов. Удалив генератор V10 (рис. 3.1) и выполнив команду Component в окне схем, на выдвигающихся вправо закладках (рис. 3.23) последовательно выбираем: Analog Primitives -> Waveform Sources -> Pulse Source. Устанавливаем графическое изображение генератора импульсного сигнала на вход усилителя и, нажатиеМ на левую кнопку мыши, входим в подменю Pulse Source:Pulse Source заданий параметров генератора и характеристик моделирования (рис. 3.24). I
puijurna /V? j
285
faaiuM '
Резистор К, 1и<»Гц и~е t>c
R7. кОм 1
2 * *
3
4
5
R9. Ом 50
100
200
ЗОЭ
400
500
Pwc. 3.23
Ж)
1AUUU ЫЛирил, v/r»»v*«.wv
Вис. 3.24
Нажатием кнопки New источнику сигнала присваивают имя (или подтверждают название, предложенное ЭВМ): в рамке слева (Name) поочередно предлагаются атрибуты источника (позиционное обозначение — Part) и предложение присвоить (или выбрать из предлагаемого в правой колонке перечня.! ему (Value — рамка справа) имя V10 с возможностью отображать его в окне схем (помечается галочкой Show рядом с названием). Атрибуты источника! сигнала (в рамке Name) Model, при активизации этой строки в колонке слева,, задаются выбором стандартного источника из предлагаемого перечня в колонке справа. Выбираем источник SP (если вводился ранее), параметры которого высвечиваются под кнопками OK, Cancel и др. Если параметры источника вводятся впервые, то нажатием кнопки New активизируют окна параметров источника сигналов.
Одновременно в строке Value появляется подсвеченная надпись New Model, вместо которой необходимо ввести название источника сигналов (На* пример, SP) и затем ввести в текстовом файле Source:Local text area °* C:\MC8DEMO\DATA\VOAM.CIR параметры источника сигналов: I
VZERO — начальное значение, В; I
VONE — максимальное значение, В; I
PI — начало переднего фронта, с; Л
Р2 — начало плоской вершины импульса, с; V
РЗ — конец плоской вершины импульса, с;
jtumjpufuupHUM paoomu jNs J
287
P4 — момент достижения уровня VZERO, с; p5 — период повторения импульса, с.
Параметры источника импульсного сигнала представлены на рис. 3.24.
сго форму ЛЧЯ указанных значений можно наблюдать, активизировав строку Voltage vs.Time над столбцом предлагаемых типов источников импульсного напряжения, и, нажав кнопку Plot.
После выбора параметров источника импульсного сигнала и пределов
анализа, подтверждаемого нажатием кнопки ОК, получаем принципиальную схему исследуемого каскада в виде (рис. 3.25).
Micro-Cap 8.1.0 0 Evaluation Version - [C \MC8DEM0\DATA\V0AMCIR]
Qy.crs J P
□ □ X
2ЦПП
и1 AMQOXS \| МоХ Farrar 8цз> es /1 _
scat ьу ~ '•
Рис. 3.25
Характер переходных процессов на входе усилителя и на сго нагрузке по-входя в режим анализа: последовательным выбором команд ^l^is -> Transient., и в подменю Transient Analysis Limits
Для выбранных параметров интегрирования и графического прсдставле-. я напряжения входного сигнала V( 10) и на нагрузке V(4) для известной Рмы входного воздействия, форма напряжения в узле 4 имеет вид Ни С- 3.27). Нажатием на пиктограмму Peak определите максимальное значе-выходного напряжения (в момент окончания входного) и время установ-Ия выходного импульса.
(St ^0,*дя в режим варьирования величиной сопротивления обратной связи ePping...H3 подменю Transient Analysis Limits), для указанных в таблице 1
288
Глава вторая. Описание лабораторных раиот ни w и л
Transient Analysis Limits
Add
1 | | Seeing-1 Procet« [ НФ |
1OCL
Ммгш Тете Step N^be d Port i Irtpaah/e IL«rear R«b лее Rent
G.1U
г?
>Eo»:n:n
З^СсЙОМ State Vaetta is Оре^ги; Pc*i Г" С евгл'пд Port Orty Г Лио Scale Par^!।
VExwtMn
Monad
YRr^e
|TT
|lOOOu.O
p2J2
|7<i
|12u0
I <01
£•0
Пгч
|-2..O
OjrSORTB) |Vt®rn>243U «td 7<2S1 U|
|0 XS.O
Рис. 3.26
.ГАИГ»
OU
’X0\.
I ftKv
Рис. 3.27
1.Э1* i^OM
а£Ш1 К10.М
<1СП« 0W0
77^7 D«U
*5 И»
чем, г*
Cursor ПМУ1 <ЗРС43П5
5 00Д1
0 0«W
значении R7 получите семейство переходных процессов и определите вели1 ну амплитуды выходного сигнала и время установления. Результаты изме ний занесите в табл. I.
Лабораторная работа Лё 3
289
Для получения амплитудной характеристики (п. 2.2.6) необходимо (исхо-_я из определения амплитудной характеристики) подать на вход усилителя фонический сигнал и изменяющееся амплитудой, т. е. вернуться к схеме пис 3 1 На вход усилителя подключите генератор сигналов SN, с параметрами (рис. 3.28).
Рис. 3.2»
Расчет будем проводить для дискретных значений амплитуды входного сигнала. При этом в качестве аргумента в прямоугольной системы координат X и Y выбрано значение среднеквадратичного отклонения амплитуды напряжения в узле 10 (RMS(VIO)) — среднеквадратичное отклонение напряжения в Узле 10).
Выходной переменной будет выступать наибольшее значение выходного напряжения (амплитудное значение) на достаточно малом промежутке времени. Для определения момента наибольшего отклонения выходного сигнала получим переходные характеристики на входе и выходе усилителя при гармоническом входном воздействии, задав характеристики моделирования ’Рис. 3.29).
Как видно из рис. 3.30, оценку выходного напряжения необходимо вести вбдизн т = 250 мс
Для получения последовательности значений амплитуд входного сигнала среднеквадратичное отклонение напряжения генератора V9) в узле V( 10) вой-Аем в режим Stepping из подменю Transient Analysis Limits (рис. 3.31).
290
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и гиру
Рис. 3.29
о Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - [Transient Analysis]
' wo ех «
ч g * .л|* ы ы <? т ts ► и г/
=а^п3:3:ро
а 1 1в%10
Т 303
WKfO-Ск е Equation Тег» от ХОЛМСА .
4.2 ОС
НОС-
-1 4»
-4 2(0
3 203m
1.00 Он
Cursor Mode jDouble-chck in the w ndcw for mere optocns
Рис. 3.30
*4) M
Ml wy, T{S*cs)
04C0m Let
6018
999 996n.
25C.4?6u
OKOm CeNa -6030 -999 9М41» 749 572u
----rcoom
93М -6 045*
•1 334K
1 303
.г ооп«------
ООСОгп
Перед вводом пределов варьирования одного из параметров генератора SN надо указать, что это будет амплитуда А (рис. 3.32) и затем указать предо лы изменения этого параметра у генератора V9: Step What, и др.
Лабораторная работа J\9 3
291
Рис. 3.31
Stepping
—
X
“Change----------------------------------------------------
Step al vaiiaobs limci.eneoGsy (• Step vaiiatbs in nested bops
Al On | AJJff | С;1«Л | ДК | j>;el |
The attribute ar model parameter to be stepped.
Рис. 3.32
Вернувшись в подменю Transient Analysis Limits (рис. 3.29) установить в нижней строке колонки Р цифру 1, удалив из ее верхних.
Для указанных параметров моделирования получим амплитудную харак-ТеРИстику усилителя в форме дискретных отсчетов, соединив вершины которой, получим известную зависимость (рис. 3.33).
Из амплитудной характеристики видно, для амплитуды входного сйгнала примерно 1,9 В наступает ограничение, что должно приводить к нелинейным Искажения.
Проведя коррекцию условий моделирования, установить амплитуду генератора SN входного сигнала 1,9 В, а в подменю Transient Analysis Limits изменить пределы отображении на мониторе выводимых кривых (рис. 3.34).
Проведя моделирование при указанных коррекциях, получим семейство Годных и выходных кривых.
10-
292
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и ГИрУ
a Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version • [Transient Analysis]
it5'x
Eile Ec2t tfirdcw= Qpws Irars»ert $:cpe Carte t)coel Efcb
W <ro-: < 8 ErtJLaoon W»s СИГ
t2 _1
WMWWHQ
SoeMoO-
Cicubie-cick »i cie w
Рис. 3.33
Рис. 3.34
Из меню Transient Analysis выполнив команду Transient (рис. 3.35) и, на выпадающей закладке, выбрав последовательно FFF Windows (прямое преобразование Фурье) и затем Add Window... (отразить дополнительно в окне. .)’ войдем в подменю Properties (свойства), которое позволяет оценить (рис. 3.36)
Лабораторная работа № 3
293
, Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - [Transient Analysis] fW.I ЛУЧК»"лЯ! ’rareiert
12 000
r-tc.-i Carlo
R^n F2
✓ Limits .
92СЮoj . "1!
Г**1 *• Optimize... Othfii
и Analysis Wncbw R
bVaixti C&I+W
B'eakporc... At*P9
3D Wildes *
Psrfa marce AoJcwvs ►
1 Ardens 1
Numeric Output F5
Stats Vanabks Ed tor... F12
Reduce Data Pc*"te...
Exc Are. vs s F3
= Ш*ОП 3 P G ?£ £ !jH\iS|
•u
2 «ОС
О WDm
0.200m
1Ют
ОЮОп
1000m
T(S«c«
Рис. 3.35
Рис. 3.36
294
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
гармонический состав напряжения в узле 4 (V(4), на нагрузке усилителям Если в строке Expression указано другое выражение, то нажав кнопку раскрц.1 тия окно в этой строке, установите требуемое. Нажав кнопку ОК получите спектр напряжения выходного сигнала, что позволит оценить коэффициент гармоник при такой амплитуде входного воздействия (рис. 3.37). Л
Рис. 3.37
Использование пиктограммы Peak для определения максимума кривой
оценим значение спектральных составляющих и вычислим коэффициент га(
моник.
Эксперимент повторите для амплитуды входного сигнала А = 2 В. ПргД* ставить распечатку спектра выходного сигнала с вычисленным на нем коэфч фициентом гармоник. .
Завершите эксперимент вычислением амплитудной характеристики при малых амплитудах входного сигнала (п. 2.2.7). Для этого используйте схем; усилителя (рис. 3.38, обратите внимание, что полярность гармонического и°| точника входного воздействия обратная). «
Войдя в подменю Transient Analysis Limits, установите указанные Ч рис. 3.39 значения и затем войдите в режим Stepping. Установите в подмеНЧ Stepping приведенные на рис. 3.40 пределы изменения амплитуды входнОД сигнала значения, нажмите кнопку ОК и войдите в режим анализа (устаНОЧ ленные ранее на рис. 3.28 параметры генератора SN остаются нeизмcнныM,<•
Лабораторная работа Л$ 3
295
T^icro Cap 8.1 0.0 Evaluation Version • [CAMC8DEM0\DATAW0AM.CIR]
xjr Comxrert A ret? *5 ODGX6 |
I Deejn ьож< -wc
5,-oeaQ •*•
ТгсгмгС...
АЛ*!
mo
DC..
Dw*<DC..
Смта^с AC..
SnftMfc-
AK*2 Ak*3
Alt *4 At*5 At*6
Trtrsfar Fuxtjcn... At*7 ft Ctsxrtlon.. At*8
S3
»•
Oct* Transnet >ot*AC. >ct»DC..
□ pg . ;
MIX? Ъ % OO^ 2^ -
! ПУСК *Mev /Г»п**мты C lMia-эхЛ • UMco<4>81...
t».*CSJ 19-04
Рис. 3.38
Рис. 3.39
Me величины амплитуды входного воздействия, которое определяется в Со^Меню Stepping). Результаты анализа в виде распечатки приложите к отчету, Роводив пояснениями о причинах такого вида амплитудной характеристи-и способах устранения этого я&зения.
Чь) ^ля выполнения п. 2.2.8 включите на вход усилителя (рис. 3.25) биполяр-,1е СИгнал (генератор SMEANDR с параметрами рис. 3.41, удалив установ-Hbiii ранее источник входного воздействия).
296
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 3.40
WTibA4 СДОХб -гг-Аъ
sn^nria pg i в\
M^dtF Pr • «w« Г :п*м*< P Отпм P Po-» P CxAor M>
О Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - [C:\MC80EMO\DATAWOAM CIR]
. !□ X Pulse Source Pulse Source
Plot
•' 0 2
•зоев*
’\M•*nX’’e4>4Mudr skinfol Ро»ег Suites / И «. |
xwv* L A •- »»• > С МСЮСЧГСАТА -ЛМ* DR VDHp
«ОС
•
•
* •
• • •
ii_,
non
tMooe
/ пуск
РГ/^ЛЙ.
<iso|T
PI'T
• Г4ЭМ □ ГИ£РДО»С)... □''кгоСдэв:
11 C*
Рис. 3.4!
Для получения переходных характеристик выполните последовательно команды: Analysis -> Transient... —> Transient Analysis Limits, провести коррекцию пределов анализа переходных процессов в соответствие с рис. 3.42 (не за
лаииритирпая раоота .1
297
будьте выйти из подменю Stepping,нажав радиокнопку No в рамке Step It, рИС. 3.40). Вывод на экран монитора нового семейства графиков реализуется или коррекцией значений каких-либо ранее использовавшихся строк, или добавлением новых строк в подменю Transient Analysis Limits, нажатием на кнопку Add с последующей коррекцией значений в каждой строке ло нужных значений (рис. 3.42).
Рис, 3.42
Полученные переходные характеристики приложить к отчету, сопроводив комментариями о причинах искажений.
5 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
• наименование и цель работы;
• принципиальную схему усилителя;
• таблицу 1, с результатами расчета и эксперимента;
• переходную характеристику усилителя при большом уровне входной воздействия (А = 1,8 В) и соответствующее ей значением коэффициент, гармоник;
• амплитудную характеристику для малого значения входной амплитудь (А = 0...0,008 В);
• переходные характеристики усилителя при действии на входе меандра краткие выводы по работе.
6 Контрольные вопросы
I. Изобразите структурную схему ОУ и поясните назначение отдельны Узлов.
2. Усилители постоянных токов. Их назначение способы реализации.
л JUOU mhmvm/irv pUMUffl HU l/V И I lip J
3. Дифференциальный усилитель. Назначение элементов, способы подачц’ и снятия сигнала. Л
4. Основные технические показатели ОУ.
5. Поясните причины возникновения и необходимость подавления син-j фазного сигнала.
6. Назначение генератора стабильного тока. Принцип работы и приме, нение.
7. Необходимость и способы получения опорного напряжения. Схемы источников опорного напряжения. И
8. Выходные каскады ОУ. Основные схемы реализации.
9. Амплитудно-частотная и амплитудная характеристики ДУ. И
10. Способы межкаскадной связи в ОУ. Достоинства и недостатки.
11. Изобразите идеальную и реальную амплитудные характеристики ОУ. Причина появления напряжения смещения и характер возникающих искажений. И
12. Назовите возможные варианты использования ОУ и приведите примеры.
7 Краткие теоретические сведения
7.1 Операционные усилители. Структура, основные свойства, технические показатели
Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока (УПТ) в интегральном исполнении с большим коэффициентом усиления (ОУ «-» УПТ). Операционные усилители разрабатывались для ЭВМ для выполнения различных операций: сложения, вычитания, деления, интегрирования и т. д. (отсюда название). При условии большого коэффициента усиления введение внешней обратной связи (ОС) позволяет с помощью ОУ создавать различные устройства со свойствами, зависящим только от цепи ОС. В настоящее время они превратились в универсальные устройства дтя построения разнообразных узлов радиоэлектронной аппаратуры, что обусловлено их высокими техническими показателями. 1
Современные ОУ построены обычно по двухкаскадной структуре, обеспечивающей высокий коэффициент усиления по напряжению (К * 60 + 100 дБ) и выходного эмитгерного повторителя (рис. 3.43). И
4-Е
Рис. 3.43
лиииритирная раоота .'v° j
299
Высокий коэффициент усиления (до 100 000 раз) приводит к снижению устойчивости усилителя и опасности самовозбуждения, что устраняется вклю-чеНием корректирующих цепей. Питание ОУ обычно осуществляется от двухполюсного источника ±Е.
При разработке ОУ должны учитываться следующие факторы:
• должны отсутствовать согласующие входной и выходной трансформаторы;
• число конденсаторов должно быть минимальным (трудно выполнять по интегральной технологии конденсаторы большой емкости);
• связь между каскадами лучше делать непосредственной;
• вводить местную обратную связь (МОС) и общую обратную связь по постоянному и переменному току.
Основным схемотехническим узлом ОУ является дифференциальный каскад, выполненный на биполярном (БТ) или полевом (ПТ) транзисторе. В аналоговых ИС БТ используют чаще, так как у них меньше напряжение смешения, температурный дрейф, значительно больше удельная крутизна на единицу плошади структуры ИС и больше нагрузочная способность (выше усилительные свойства и выходная мощность). Биполярный транзистор может работать с меньшим возбуждающим напряжением по сравнению с ПТ, что объясняется лучшей воспроизводимостью эмиттерно-базового перехода по сравнению с воспроизводимостью напряжения отсечки у ПТ. К недостаткам ОУ на БТ следует отнести больший входной ток.
Как правило, ОУ имеют два входа (инвертирующий и неинвертируюший) и один выход. Подача напряжения на инвертирующий вход (обозначается знаком «-» или кружком) обеспечивает напряжение на выходе с противоположной фазой (сдвиг фаз входного и выходного напряжений составляет к), неинвертирующий вход (обозначается знаком
сохраняет фазу выходного напряжения неизменной.
Основные технические показатели ОУ:
• коэффициент усиления по напряжению равен отношению двух напряжений: выходного и входного (дифференциального) при условии, что ОУ не охвачен ОС и частота сигнала не выше частоты среза: KD = UBblx/U,xa;
• входное сопротивление. Различают входное сопротивление ОУ для дифференциальных RD„ и синфазных RDbxc(J, сигналов. Дифференциальное входное сопротивление RD„ определяется изменением дифференциального (разностного) входного напряжения к результирующему изменению входного тока, при условии сохранения линейности выходного напряжения, — выходное сопротивление RDbui. По отношению к нагрузке ОУ рассматривают как генератор напряжения с внутренним сопротивлением RDbmm;
• минимально допустимое сопротивление нагрузки RDltMH1 — характеризует нижний предел сопротивления нагрузки усилителя;
• напряжение смешения (нуля) UCM — определяет постоянное напряжение заданной полярности, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы получить выходное напряжение равное нулю;
• температурный дрейф напряжения смещения &UCM/At (мкВ/“С) характеризует уход UCM при изменении температуры:
или не имеет обозначения)
juv
i JlUuU V_/hmvmhmv /I w vvy'KfJ/U^vrfi гв<л
• входной ток I,, (или входной ток смещения 1СМ), определяют как среднее
значение двух токов смешения при выходном напряжении равном нулю. т. е. 1^,, = (1см, + 1см2)/2, где 1СМ|, 1см2 — токи смещения на инверти
рующем и неинвертируюшем входе;
коэффициент ослабления синфазного сигнала равен отношению коэф-
фициента передачи дифференциального и синфазного сигналов, т. е.
КСФ = KD | Кс;
спектральная плотность напряжения собственного шума на входе ОУ
SC1U характеризует шумовые свойства ОУ (нВ^/Гц).
7.2 Входные каскады
7.2.1. Дифференциальные каскады (ДК) наиболее применимы в ИС в качестве входных, что объясняется рядом достоинств.
Дифференциальный усилитель (ДУ) без цепи смешения показан на рис. 3.44. Усилитель имеет два входа, а напряжение на выходе пропорционально разности на выходах. Резисторы R , и R2 и выходные цепи транзисторов VT1 и VT2 составляют плечи моста, диагоналями которого являются точки 3—4 и А—Э. При одинаковых величинах соответствующих элементов все параметры их изменяются одинаково при изменении температуры, старении, изменении напряжения питания, поэтому UBUX = UO1 — UK32 = 0. Ч
Практически некоторая асимметрия транзисторов приводит к медленному изменению токов в цепях усилителей, а следовательно, и выходного напряжения. Это явление называют дрейфом нуля УПТ. Дрейф нуля в балансных схемах значительно меньше, чем в однотактных УПТ. I
Повышение стабильности токов транзисторов возможно при использовании термостата рован ия транзисторов, температурной компенсации, введений глубокой ООС. Все перечисленные способы, кроме последнего, весьма затратны.
Увеличение глубины ООС, которая создается на резисторе R3 суммой токов эмиттеров транзисторов UR = (1э1 + 1з2) R3 достигается ростом R,. Значит» для повышения стабильности необходимо увеличивать напряжение источника
jiuuui'uifiupnan puuuiriu Ji” j
301
пцтания. Обычно в ДК используются два источника питания: +Е, и —Е, (относительно земли, рис. 3.45).
Применение второго источника питания, кроме уменьшения дрейфа нуля, делает возможным не применять (в некоторых случаях) источники компенсирующих напряжений, обеспечивающих равенство нулю входного тока при отсутствии переменного напряжения на входе. Многообразие применений ОУ создаст различные варианты подачи напряжения на вход ДК (как входного усилительного каскада) и способы снятия усиленного сигнала.
7.2.2. Синфазные входные сигналы подаются одновременно на оба входа ДК в одной фазе. Коллекторные токи при симметрии схемы получают одинаковые по знаку и величине приращения (например, положительные) Д1К), Д1к2 а напряжение на коллекторах уменьшается на AUKJ, = диет2. В результате выходное напряжение равно нулю UBlilx = UK3| - = 0, что указывает на подав-
ление синфазного сигнала. Дрейф нуля при этом отсутствует. Учитывая, что реальный ДК имеет некоторую асимметрию, то при синфазном входном воздействии на резисторе R, появляется напряжение диКэ = (Д1э1 + д1э2)Кэ, отличное от нуля.
При несимметричном выходе (рис. 3.45) сигнал снимается с одного плеча ДК. При синфазном воздействии (рассмотрим крайний случай R, = 0), сигнал, поданный на вход 1—0, не поступает на рассматриваемый выход. На выходе напряжение существует только при подаче сигнала на вход 2—0. То есть усилитель утрачивает нечувствительность к синфазному сигналу'. Чтобы сохранить это свойство и при несимметричном выходе, вводят достаточно глубокую ООС Для синфазного сигнала, включая в общую эмиттерную цепь резистор R,. В результате токи iK и i, становятся меньшими в число раз, определяемое глубиной ООС. Глубина ООС, определяющая уменьшение коэффициента передачи синфазной составляющей для низких частот и при условии чисто активного со-пРотивления ООСи идеального источника входного сигнала
F — [ , 2h2bR> . (3.1)
h из
I AUOU (HnUj/ИЛ. UflMVWMMV //Ul/(/f/l /!<✓ w и Л mJJ
Можно считать, что при несимметричном выходе синфазный сигнал практически отсутствует при F « 80 дБ. Глубина ООС будет увеличиваться с ростом R3, однако, для достижения F « 80 дБ, требуется увеличить сопротивление эмиттера до значений в сотни тысяч Ом, создающее падение напряжения в сотни вольт.
Включение в эмиттсрную цепь транзистора, обладающего большим выходным динамическим сопротивлением, с одновременным введением МОС с помощью резистора достаточно небольшой величины, позволяет решить эту задачу.
При одинаковых транзисторах в ДУ и синфазном входном воздействии, при условии, что hI2 = 0 и R„ « R входное сопротивление ДУ 1
Raxос ~ Rax, — Км2 ~ им|/1б — (1бЬцэ + 2I3R3)/I6 = h(|3 + 2(1 + hjijJR.j, (3.2) а коэффициент усиления для синфазного сигнала
Кс = h2l3R/RBXOC, (3.3)
где R — сопротивление нагрузки каскада по переменному току R = R, = R2.
7.2.3. При противофазном входном воздействии, когда сигналы, действующие на Ura| и UBx2, равны по амплитуде и противоположны по фазе, приложенные к VT1 и VT2 напряжения противоположны по знаку и приводят к равным по величине и противоположным по знаку AUK3| и —Д11„2, тогда .Я
ивых = дикэ, - (—ди„,) « 2дио1. (3.4)
Значение и полярность UBHX зависит от соотношения амплитуд и полярности входных сигналов. Поскольку приращения токов эмиттеров (д!э| = — Д1э2) также противоположны по знаку, то ООС, создаваемая по переменному току на резисторе R3 не будет обеспечивать высокий коэффициент усиления ДК.
Коэффициент усиления по напряжению одного плеча ДК (однотактного каскада) ]
к, = к2 = U,uxl/Uixl = ивых2/ии2 - h^R./Ro» (3-5)
где R_ — сопротивление нагрузки каскада по переменному току. "Я
Если полагать RH » R| = R, RH » R2 = R, то R. « R и J
K( » K2= h2l3R/R,x<n. (3.6)
Дифференциальное входное напряжение Я
ииД = UBX1 + Uux2 = 2U.X| = 2U„2. (3.7)
С учетом (3.2) коэффициент усиления ДУ по напряжению при симметричном выходе
»ых д _ 2U ,цх2 _ 1т 21,R (3 8)
а> UBX 2U„ Raxro J
будет как в обычном резисторном каскаде. ’
JVJ
При несимметричном выходе
= £»" = = J^_ = 0.5 к, = 0,5К2 = -JhldL ьп и„1+ивх2 2UM| 2 2RM01
(3.9)
Входное сопротивление одного плеча
= R
11Л R-Bxl ^012
ВХ ОЭ’
тогда при симметричном входе входное сопротивление ДУ
R— U НХ Д вх| их Л т 1 в*
U ВХ1 U 11x2 = эр . НХ ОЭ
(3.10)
Отношение выходных напряжений полезного и синфазного сигналов при одинаковых амплитудах на входе ДУ называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала. Его значение лежит в переделах 80-е-100 дБ.
7.2.4. Схемы стабилизации режима по постоянному току. Развитием схемы ДК (рис. 3.44) является схема каскада с генератором стабильного' тока (ГСТ), роль которого выполняет транзистор VT3 (рис. 3.46).
Рис. 3.46
Здесь роль эмиттерного сопротивления (рис. 3.44) играет выходное сопротивление транзистора VT3 (сотни килом), стабилитрон VD1 задает режим работы транзистора VT3, т. е. 1Э|, 1э2. Использование двух источников питания позволяет легко подобрать режим ДК и обеспечить нулевой потенциал напряжения на выходе при отсутствии входного сигнала. Генератор стабильной. т°ка является базовым каскадом интегральных ОУ и применяется как высоко-°Мное динамическое сопротивление или источник фиксированного тока Простейший вариант ГСТ в интегральном исполнении имеет вид (рис. 3.47).
Рис. 3.47
Роль стабилитрона VDI (рис. 3.46) выполняет транзистор VTI в диодном включении (R, = 0). Тогда постоянные токи транзисторов VT1 и VTQ (рис. 3.47) будут fl
L ~ Li + ^бо + Li = П + ЬгьИбо + Li> (3.1Я
L = Lo^ziio- (3.12)
Считая h21J1 а Ил,,); 1М а 16|, поскольку транзисторы VT1 и VT0 идентичны, тогда
I,/Io = ((1 + h21J1)/h21j0)(Iei / !«,) + l/h2b0. (3.13)
Для современных транзисторов h2b » I, тогда 1(/10 » 1» т. е. изменение тока ДУ следит за изменением тока 1(, т. е. в паре транзисторов VT1 и VT0 су-Сиествуст «зеркальное отображение токов» — «токовое зеркало». Относительная нестабильность токов также одинакова
= (3.14)
Диодное включение транзистора VTI позволяет стабилизировать его ток коллектора с помощью улучшения характеристик внешних устройств: источников питания, резистора R,.
В интегральной схемотехнике термин «токовое зеркало» применяется для случая, когда I ,/I0 * I. Когда же отношение отлично от единицы, но стабильно, применяют термин «отражатель тока». Такая ситуация возникает, например, при необходимости малых токов смещения, избегая при этом формирования резисторов больших номиналов. В этом случае используют схему рис. 3.48. |
Исходя из физических принципов работы транзисторов и законов Кирхгофа J
I, = (Е, + Е2 - U631)/R, = I.exp(Ufel/y<pT); (3.15)
Io= I.expdWw,), (3.16)
где ls — ток насыщения (обратный ток эмиттерного перехода); у — эффектив-ность эмиттера (принимаем равной единице); <рт — температурный потенциал (принимаем равным 0,025В).
лишгуитириим раиита j
305
Рис. 3.48
Рис. 3.49
Логарифмируя выражения (3.15) и (3.16) и вычитая нижнее выражение из верхнего, получаем
R3 = у<рт1п | Е-‘-- рУ L'fol] • (3.17)
Значение сопротивления Rj составляет реализуемые величины, примерно несколько тысяч Ом.
Такая схема позволяет стабилизировать весьма малые токи 10, при сравнительно небольших резисторах Rj и R, При этом R, заметно увеличивает выходное сопротивление ГСТ за счет ООС по току.
Требование повысить выходное сопротивление ГСТ нельзя решить только путем увеличения значения сопротивления резистора R „ поскольку это переводит транзистор VT0 в режим малых токов. Повышения выходного сопротивления ГСТ достигают включением в эмиттер VTI добавочного резистора (Рис. 3.49), что повышает потенциал базы VT0 и ток эмиттера VT0, сохранив большим выходное сопротивление ГСТ. Его можно теперь повысить увеличивая сопротивление R,.
7.2.5. Источники опорного напряжения. Из рассмотрения свойств ГСТ видно, что стабильность его параметров зависит в основном от стабильности источников питания. - • »i dhn
Для повышения стабильности источников питания ГСТ используют специально встроенную в усилитель цепь смещения (рис. 3.50).
Такая цепь смещения ГСТ (рис. 3.50а) позволяет получать опорное напряжение Uon практически не зависящее от напряжения внешнего источника Питания Е. Стабилитрон VD1 вместе с комбинацией диодов VD2 и VD3 обес-е,,ивают высокую стабильность опорного напряжения U^. Стабилитрон под-Р*ивает постоянство выходного (опорного напряжения) при изменении па-Метров источника питания, диоды обеспечивают постоянство U^,, снижая Ияние температуры.
306 Глава вторая, иписание лаииритирнш ришт пи t/V М Л
- - —-- - Л 1
Для получения опорного напряжения можно использовать эмиттерные повторители (ЭП), в том числе, реализованные на многоэмиттерных БТ, позволяющие получить одновременно несколько источников опорного напряжения (рис. 3.506). Стабилитрон VDI в базовом делителе транзистора VT1 устраняет чувствительность ЭП к изменению напряжения питания, а диод VD2 обеспечивает постоянство напряжения на БЭ переходе транзистора за счет идентичности изменения его параметров и параметров диода при изменении температуры.
7.2.6. Схемы сдвига. Применение непосредственной (гальваническое) связи между каскадами часто приводит к необходимости выравнивать уровни постоянного напряжения между отдельными точками схемы. Для этого используют различные цепи сдвига уровня напряжения (УН). Основное требование к ним — изменение постоянного потенциала между точками схемы (например, коллектором предыдущего каскада и базой последующего) при минимальном изменении потенциалов для переменных напряжений. я|
На рис. 3.51 показана схема сдвига УН с использованием ГСТ. Потенция’: точки выхода понижен относительно точки входа на Ufr) + l,R,. В то же время напряжение сигнала передается практически без изменений, так как для ГСТ выполняется условие: его выходное динамическое сопротивление значителН* больше сопротивления в цепи эмиттера и собственного входного conpornkie‘ ния транзистора (hH), поэтому падение напряжения переменной составляв* шей на открытом БЭ переходе и резисторе R, значительно меньше по сравни нию с напряжением на ГСТ (Utax).
Другая схема сдвига, использующая стабилитрон, показана на рис. 3.52.
Потенциал коллектора транзистора VT1, равный UK, понижен до требУ* мого значения потенциала базы U6 следующего транзистора VT2 за включения между коллектором VTI и базой VT2 стабилитрона VD1, при L’e = Ut — U^. Резистор R, обеспечивает выбор рабочего тока через стабИЯЦ трон VD1, имеющий малое дифференциальное сопротивление (малые пот*" полезного сигнала).
Эта схема обладает рядом недостатков, ограничивающих ее примем* разброс и температурная зависимость напряжения стабилизации UCT; сН»
Лабораторная работа № 3
30
О при отсутствии на входе ОУ
нис динамического диапазона усилителя из-за внутренних шумов стабилитрона и относительно большой ток стабилизации. Это требует включения резистора R, и уменьшения резистора R„ что снижает коэффициент усиления каскада на транзисторе VTI.
Проблема выравнивания уровней существует и при подключении ОУ к внешним схемам. Для получения выходного напряжения и^г
сигнала, необходимо подать на его вход постоянное напряжение определенной полярности U„. Отличие от нуля выходного напряжения при отсутствии входного воздействия достаточно мало и вызвано разбалансом плеч внутри ОУ (прежде всего в ДК) и во внешних цепях. Это отклонение выходного напряжения называют напряжением сдвига относительно нулевого уровня (рис. 3.53).
Представленная амплитудная характеристика реального ОУ (2) показывают, что для получения ^,^^*=0, необходимо подать на его вход некоторое напряжение смещения U„, = UleM, сдвигающее амплитудную характеристику в положение I. Типовое напряжение смещения составляет ±(5...2О) мВ.
—ВЫХ СДВ напряжение смещения = U
7.3 Выходные каскады
I дц Оконечные каскада ОУ реализуются обычно как эмиттерные повто-Наг'11* В ОУ К140УД1 (рис. 3.54) выходной каскад, выполненный на VT3 с сТоР^?К01’ в видс последовательного включения резисторов R3 и R4. Транзи-СДвР вместе с резистором R1 и ГСТ на транзисторе VT2 образуют схему 0Т(?’Га Для транзистора VT3, обеспечивая нулевой потенциал на выходе при Ре кт,СТвии входного сигнала. Диод VD1 в обратном включении является кор-(ГО-^^ЮЩСЙ емкостью, обеспечивающей устойчивость ОУ. Транзистор VT2 мер ’ вместе с резистором R2 и источником опорного напряжения (напри-щ£РИс 3.50а), создает положительную обратную связь (ПОС), увсличиваю-ПрИмКоэФФициент усиления выходного каскада до 1,5. При увеличении на- еР температуры, возрастает U^,,, что приводит к возрастанию тока эмит-
308
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 3.54
тера 1э3 и увеличению падения напряжения ца R3 + R4; так как 1э3 » I.j2, то это приводит к возрастанию потенциала эмиттера VT2, запирающего транзистор, а значит увеличивающего потенциал на коллекторе VT2. Поскольку
= L'6-„ то это увеличивает потенциал на базе
VT3, что указывает на ПОС. ]
При невысоких выходных мощностях в качестве базовой схемы используют комплементарную пару транзисторов (транзисторы с идентичными параметрами и разным типом провор димости), работающих в режиме В (рис. 3.55). ]
Диоды VD1, VD2 обеспечивают необходимое смещение на транзисторах VT2, VT3 и тем-
пературную стабилизацию режима. Резисторы RI и R2 ограничивают ток короткого замыкания транзисторов и предотвращают выход ОУ из строя. Промежуточный каскад выполнен на транзисторе VT1 с активной нагрузкой в виде ГСТ, обеспечивает наибольшее усиление. При большой выходной мощности.
в связи с трудностью реализации в интегральном исполнении комплементарной пары транзисторов различного типа проводимости, используют квазиком-плементарные транзисторные группы (рис. 3.56), когда в верхнем плече используют транзисторы с одинаковыми структурами (VT2, VT4), а в нижнем -транзисторы с противоположными (VT3, VT5). Составные транзисторы эквивалентны одиночным транзисторам п-р-п или р-п-р типа.
7.3.2. Активные нагрузки. В интегральных микросхемах очень часто используют транзисторы в качестве активной (динамической) нагрузки вместо обычных резисторов. Это позволяет реализовать АЭ и резисторы по единой технологии, выбрать нагрузку' большой величины, чтобы получить большой коэффициент усиления, не снижая при этом выходную мощность (как следствие уменьшения тока при возрастании сопротивления). На рис. 3.57 нагруз-
Рис. 3.55
Рис. 3.56
Лабораторная работа Л? 3
309
кой усилителя на транзисторе VT2 является транзистор VT1 вместе с цепями смешения R, и R,, включенный в коллекторную цепь. Выходное сопротивление транзистора VTI RthUI = l/h22 = Rai) — является активной нагрузкой транзистора VT2 по переменной составляющей. Для увеличения RJh в эмиттерную цепь VT1 включают резистор R,. Выделив схему активной нагрузки (без вспомогательных цепей, рис. 3.58), отмечаем, что она является схемой ГСТ (рис. 3.47). Напряжения смешения на базу подается от отдельного напряжения смешения UCM, a R* — сопротивление делителя в базовой цепи VT1 по переменному току.
Получим соотношения, определяющие величину сопротивления активной нагрузки, представив VTI эквивалентной схемой в системе h — параметров (рис. 3.59).
Рис. 3.59
Сравнения Кирхгофа для данной схемы
L = Ь31э18 + hnU„;
+ Ub;
UR, = LR, + l6(Re + h.i» +
>
(3.18)
(3.19)
(3.20)
310
Глава вторам. Описание лабораторных работ по L/C и гирл
Поделив (3.17) на (3.18) и, учитывая, что R, « 1/h^, получим
1 R» 4 h,;, 4 (1 -г h2l.,)R3 h22 Rft + h,b + R3
<3.2|j
Для значений токов и напряжений, обеспечивающих активный режим боты транзистора, динамическая нагрузка каскада (по переменному току) ;0. ставляст несколько сотен тысяч Ом. Это ухудшает работу каскада (увеличив, ются частотные искажения и нелинейные искажения, уменьшается динами^ ский диапазон усилителя). Реально, выходное сопротивление каск»3 шунтируется сравнительно невысоким входным сопротивлением следующИ каскада. Для согласования динамической нагрузки каскада с входным сопро-тивленисм следующего каскада параллельно RJH включают шунтирующее со-противление величиной 10—20 кОм. что при сохранении высокого коэффц. ииента усиления позволяет снизить нелинейные искажения в 5—6 раз и увеличить f, в 1,5—2 раза
7.4 Промежуточные каскады
Промежуточные каскады (рис. 3.43) в составе ОУ являются усилителями напряжения с большим коэффициентом усиления. Конкретная реализаци определяется структурой входного (ДУ) и выходного (ЭП) каскадов. Промежуточные каскады в современных ОУ (рис. 3.60) чаще всего реализувв на БТ, включенных по схеме с ОЭ, или с использованием составных транзисторов (например, по схеме Дарлингтона).
Нис. 3.60
Лабораторная работа Л? 3
311
Схема промежуточного каскада содержит составной транзистор VT1VT3, в коллекторную цепь которого включен транзистор VT2, являющегося динамической нагрузкой (ГСТ) составного транзистора и, одновременно, выполняющей роль элемента связи. Режим транзистора VT2 определяется опорным напряжением (U^n), подаваемым со схемы стабилизации. Транзистор VT5 явля-стся ГСТ для VT6, задающим напряжение смещения на последующие оконечные каскады. Транзистор VT4 в диодном включении, вместо резистора создает глубокую ООС для транзистора VT6.
8 Список литературы
1. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Радио и связь, 1997. 367 с.
2. Разсвиг В. Д. Применение программ Р-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ: В 4 выпусках М.: Радио и связь, 1992.
3. Воробьев Е. П„ Сенин К. В. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги. М.: РиС, 1990. 350 с.
4. Усилительные устройства / под ред. Головина О. В. М.: Радио и связь, 1993.
5. Разевиг В. Д. Система схемотехнического проектирования Micro-САР 7. М.: Горячая линия—Телеком, 2003. 364 с.
6. http://WWW.spectrum-soft.com.demoform/shtm (адрес в Internet для получения студенческой версии ССМ МС).
Лабораторная работа № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭМИТТЕРНОГО ПОВТОРИТЕЛЯ
1 Цель работы Ж
Изучение физических принципов и определение основных технических характеристик эмиттерного повторителя; машинное моделирование и сравни-! тельный анализ частотных свойств эмиттерного повторителя и резисторного! каскада предварительного усиления с использованием системы схемотехнического проектирования Micro Сар 8 (МС 8). Л
2 Задание
2.1 Расчетная часть
Используя данные о величине элементов принципиальной схемы и пара» метров применяемого транзистора, для каждого из двух способов включении ОЭ и ОК (резисторный каскад предварительного усиления — каскад с обшим эмиттером ОЭ, и эмиттерный повторитель — каскад с обшим коллектором ОК), рассчитать: И
• сквозные коэффициенты усиления по напряжению в области средних частот К*м, К*(Ш;
• коэффициент усиления по напряжению в области средних частот КЛ кож; Д
• нижние f*H0. и f*HOk и верхние и f*„ граничные частоты, обусловь ленные влиянием входной цепи исследуемых каскадов для нормирован
ных сквозных коэффициентов усиления;
• нижние fHM и и верхние ГВОл и fBOK граничные частоты, обусловлен! ные влиянием выходной цепи исследуемых каскадов для нормирован ных коэффициентов усиления по напряжению.
2.2 Экспериментальная часть
Для компьютерных моделей резисторного каскада при включении гран стора по схеме с ОЭ-усилителя и с ОК — эмиттерного повторителя: I
2.2.1 — получить амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) сквоЯ го коэффициента усиления К* и коэффициента усиления по напряжению
Лабораторная работа Л? 7
313
. учетом влияния входной цепи на верхних частотах. Оценить по ним значение Г, и f.;
2.2.2 — получить АЧХ К* и К, с учетом влияния выходных испей в облас-ги верхних частот. Оценить f*B и f,;
2-2.3 — получить АЧХ К* и К с учетом влияния входных цепей в области нижних частот. Оценить Рн и fH;
2.2.4 — получить АЧХ К* и К с учетом влияния выходных цепей в области нижних частот.Оиенить Г*н и Г„.
На основании оценок, полученных в экспериментальной части, сравнить результаты предварительного расчета и машинного моделирования: К о1, К‘сро,, К'ср<ж, Г*„, <*,; сделать выводы о степени совпадения ре-
зультатов ручного расчета и машинного моделирования.
3 Методические указания по выполнению работы
3.1 Описние принципиальной схемы макета
Принципиальная схема лабораторного макета в натурном и машинном эксперименте приведена на рисунке 7. t.
Использование переключателей (SI— S5) позволяет создавать, при неизменном положении рабочей точки транзистора (режим по постоянному току'),
ПМкго-Сф 8.0 9 0 Evaluation Venion - [C:\MC8DEMOIDATAWemp.СЖ] - Т X
Ы < nocrvK МФицга» '*** ** - 9
qis» u w a a • . » > • » - -k> ® о p о <» c: - .tai
у -t ^g-г i nrpVv-». . । - -- - ;»D3X - • * м и % u.c-o _
Рис. 7. |
314
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
схемы резисторного усилительного каскада и эмиттерного повторителя. ПриJ исследовании частотных свойств они помогают реализовывать схемы, в кого-1 рых, в значительной степени, разделено влияние входных и выходных испей.] Одновременно можно получать амплитудно-частотные характеристики каска--дов и сквозные амплитудно-частотные характеристики.
В машинном эксперименте в качестве базовой используется схема лабора-J торного макета, что приближает его к натурному эксперименту с учетом осо-1 бенностей работы с пакетом программ МС 8. Программа дает возможность исследовать влияние входных или выходных цепей схемы на всей области частот. Нормирование их по усилению на средней частоте и построение их в одной системе координат позволяет наглядно сравнить частотные свойств^ резисторного каскада (схема с ОЭ) и эмиттерного повторителя (схема с ОК).1
На рис. 7.1 входной сигнал от источника (V2), обладающего внутренним сопротивлением R1, поступает на схему усилителя через разделительный конденсатор С1(или через параллельное соединение С1 и С2). Резисторы R2 и RJ обеспечивают активный режим работы транзистора, задавая напряжение смешения ибэ0. Резисторы R4 и R? применяются дтя получения требуемого по-» стоянного напряжения на коллекторе транзистора Utj0 и дтя снятия усиленного напряжения при включении транзистора по схеме с ОЭ и ОК, соответственно. Конденсатор СЗ при подключении к R5 служит для устранения отрицательной обратной связи (ООС) из-за R5 по переменному току в схеме с ОЭ, а при подключении к R4 обеспечивает включение транзистора по схеме с ОК. Емкости С4 и С5 играют роль разделительных конденсаторов, исключая протекание постоянной составляющей выходного тока через нагрузку, которую моделируют резистор R6 и конденсатор С6. Источник питания VI является источником мощности для усиливаемого входного сигнала и одновременно обеспечивает активный режим работы транзистора.
3.2 Расчетная часть
Расчет параметров усилительного каскада проводится с использованием
значений элементов принципиальной схемы и эквивалентной схемы транзи
стора (схема Джиаколетто).
3.2.1. Расчет коэффициента усиления каскада по напряжению К ч ЭДС К* проводится на средней частоте ((^=1000 Гц) для последующего
сравнения с результатами машинного моделирования.
3.2.2. Расчет граничных частот полосы пропускания по заданной величи-
не частотных искажений проводят по
р.мулам для Мм и М„.
3.3 Машинное моделирование .
Частотные свойства резисторного каскада на транзисторе VT1 изучаются в применением моделирования принципиальной схемы усилителя во всей ласти частот на ЭВМ с учетом свойств источника сигнала и влияния второ® каскада (на транзисторе VT2), полученных при: V
• исследовании принципиальной схемы каскада; Я
Лабораторная работа Ms 7
315
. исследовании полной эквивалентной схемы каскада.
Машинный эксперимент по исследованию свойств резисторного каскада проводится на ПЭВМ с использованием системы схемотехничекого моделирования Micro Сар8 (МС8).
Предполагается, что:
• студенты знакомы с основами работы операционной системы WINDOWS 98 (или более поздними версиями);
• имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии, по указанному в п. 8 настоящего описания адресу, получить инсталляционные файлы студенческой версии программы mc8dcmo.exe или приобрести эту программу на CR дисках.
Рис. 7.2
Главное окно в верхней строке в подкаталоге \DATA укажет присвоенное ‘ или, выбранное вами, имя вводимой принципиальной схемы (имя фай-j* с Расширением -CIR), которое используется для описания схемы во внут-йнем формате МС8 (название файла может отличаться от указанного).
Ра ввода элементов принципиальной схемы в меню главного окна выби--еЮт команду FILE, затем, в ниспадающем меню, строку New и последова-ИссЬН0 пводят элементы принципиальной схемы описания, соответствующие ^*ЛеДуемой частотной области (рис. 7.9).
Применяемые в принципиальной схеме наиболее часто встречающиеся мйоненты (конденсаторы, резисторы, индуктивности) выбиваются kvdco-
J16 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
ром. активируются левой кнопкой мыши и затем помещаются в нужном месте схемы. Указанные компоненты размещены на второй строчке меню главного окна или окна команд. J
При необходимости коррекции некоторых элементов принципиальной схемы необходимо вначале удалить соответствующий элемент (компонент), нажав левой кнопкой мыши на левую стрелку в третьей строчке окна главного меню, активизировать режим редактирования элементов или компонентов схемы (Select Mode — рис. 7.2). Затем, подведя курсор к компоненту, нажать левую кнопку мыши. При этом подсвечивается, обычно зеленым цветом, компонент или соответствующий текст на принципиальной схеме и затем, войдя в меню EDIT, на выпадающем подменю выбирают CUT (рис. 7.3) и удаляют необходимые атрибуты. Альтернативным вариантом при удалении компонентов схемы является применение пиктограммы Cut (или Ctri-X) на панели инструментов (ножницы). Возникающие трудности при удалении элементов или вводе новых устраняются с использованием программы HELP главного меню.
Рис. 7.3
Перемещение компонента на экране производится при нажатой кнопке, а при необходимости изменить положение компонента, щелкают rtf* вой кнопкой при нажатой левой кнопке. При отпускании левой кнопки мсс^ поплжение компонента фиксируется и в ниспадающем меню (напри**Я
Лабораторная работа № 7
317
Рис. 7.4
Resistor, рис. 7.4) появляется название компонента и предложение присвоить
ему позиционное
»1М«
значение PART (предлагаемое обозначение может быть
изменено на любое при активизации указанной строки левой кнопкой мыши). , Затем указывается величина VALUE компонента. Присвоенное компоненту название и величина будут изображаться в главном окне при вводе принципиальной схемы, если подсвеченный параметр помечен галочкой SHOW. При вводе значения параметров допускается использование масштабных коэффициентов:
Имение 6 I 1 10 3 10 -3 10 15 10 -12 10 -15 10
префикс MEG К м и N Р F
^П^форма 10Е+6 10Е+3 10Е-3 10Е-6 10Е-9 10Е-12 10Е-15
Масштабный коэффициент может содержать и другие дополнительные Мвояы, которые программа игнорирует. То есть величина емкости в 5 пФ быть введена: 5PF или 5Р, или 5Е-12. В ниспадающем меню может Пуса*ГГЬСЯ инФ°Рмаиия ° мощности, рассеиваемой на компоненте, типе кор-’Стоимости, что необходимо для дальнейшего использования в програм-ПРИ разработке топологии печатной платы и оценке стоимости уст-Ьво ТВа ^если это предполагается в задании). Подтверждением окончания любого компонента является нажатие клавиши ОК. Если какие-либо НИя ввс^ены неверно, то активизация (нажатие панели) Cancel, отменяет Еденную информацию о компоненте.
J]g Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и flip У
При вводе транзистора типа PNP, которого нет в списке основных ком. понентов. необходимо выполнить команду Components в меню главного окца и на дополнительном меню, разворачивающемся вправо, выбрать Analog Primitives и из предлагаемого списка устройств (рис. 7.5) выбрать Acti\c Devices, а затем, на закладке активных компонентов — PNP.
На ниспадающем меню (рис. 7.6) выбирается: позиционное обозначение? компонента PART, его характеристика VALUE, определяющая активный режим, и тип транзистора MODEL.
Поскольку в библиотеке МС8 нет отечественных транзисторов, необхоШЧ мо ввести параметры модели транзистора КТ326В в подсвеченных окнах 1
Source: Local text area of C:\MC7DEMO\DATA\EMP.C1R (или Vamemli-ClM вместо представленных на рис. 7.6, нажав предварительно кнопку New:
IS = 16.64F, BF = 99.06, NF=I, VAF=1I5, IKF = 0.675. ISE = 54.12b' NE = 2.527, VAR = 63, IKR = 0.52, ISC=I2.5F, NC = 2, NK = 0.5, RE** RB = 52.4, RC=1.85, CJE = 3.375P, VJE = 0.75. MJE = 0.35, CJC = 4.089Г» VJC = 0.69. MJC = 0.33. FC = 0.5, TF = 160.2P, XTF = 2, VTF = 10, 1TF PTF = 0, TR = 40.04N, EG = 1.11, XTB = 1.5, XTI = 3, остальные параметр* модели транзистора принимаются по умолчанию.
Модель генератора гармонических сигналов задастся последовательна* выбором на панели компонентов (Component) главного окна,затем АП*1'0’
Лабораторная работа М 7
319
Рис. 7.6
Primitives -> Waveform Sources -> Sine Source. На выпадающем меню Sine °urce (рис. 7.7) выбирают, нажатием на панель New, режим формирования параметров новой модели. Затем последовательно вводят параметры модели Рап1ОГИЧНО вводУ компонентов рис. 7.4, рис. 7.6) присваивая обозначение ART и тип модели MODEL SG. Параметры модели F. A, DC и т. д. вводятся соответствии с рис. 7.7.
н Источник питания вводится активизацией кнопки Battery в строке основ-п х компонентов меню главного окна. После размещения символа источника КнТания в соответствующем месте принципиальной схемы и нажатия левой со-/1*” мыши, в выпадающем меню задают параметры источника питания в пщ 11СТСТВИС с рис> ^-8 (порядковый номер источнику питания может быть Св°ен другой - не V3).
»Уя °единительные линии между элементами схемы прочерчивают исполь-МенКНОПку в“ода ортогональных проводников Wire Mode на панели инстру-ов или Diagonal Wire Mode для изображения наклонных линий (рис. 7.2). Н**писи в графическом окне, сделанные ранее, отображаются на экране активированной кнопке Grid Text (рис. 7.2V а пмппи
no
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 7.7
Рис. 7.8
активизации кнопки Text на панели инструментов. Названия, присвое компонентам при их вводе, отображаются на экране только при активиро ной кнопке Attribute Text (рис. 7.2).
Для выполнения п. 2.2 необходимо составить принципиальные схемы 'эм/'топмпт каскада и эмиттерного повторителя, режим работы транзи
^lUlZVj/UnCUJ/ЛиЛ //««/v/rrrct •? ТУ Z
JZI
Рис. 7.9
которых, неизменен (IKO= 2 мА, при указанных на рис. 7.1, значениях элементов схем). Схемы рис. 7.9 позволяют учитывать влияние на АЧХ только входной цепи в области верхних частот (Г, и f, определяют по уровню 3 дБ).
Нумерация узлов и, соответственно, выбор семейства анализируемых характеристик, проводится активизацией кнопки Node Numbers на панели инструментов. Режим работы транзисторов по току проверяется активизацией кнопки Currents панели инструментов.
Влияние выходных цепей на свойства каскадов в области верхних частот оценивается при изучении упрощенных принципиальных схем рис. 7.10.
Влияние входной цепи в области нижних частот на свойства АЧХ оцени-вается с использованием принципиальных схем рис. 7.11.
Аналогичные оценки величины частотных искажений в области нижних частот, обусловленных влиянием выходной цепи, можно сделать применяя Принципиальные схему' рис. 7.12. |
Анализ частотных свойств резисторного усилителя по схеме с ОЭ и эмит-ТеРного повторителя (схема с ОК) для выбранной частотной области проводится после ввода соответствутошей принципиальной схемы и проверки режи-Ма работы транзистора по постоянному току.
Вход в режим анализа частотных характеристик предваряется выбором уз-108 на принципиальной схеме, в которых будет оцениваться абсолютное или относительное значение амплитуды напряжения в зависимости от частоты '’за, Ju
и Micro-Cep 8.0 9.0 Evaluation Version - [C;\MC8DtMO\DATA\Vamomho.CIR| U iCil'X
Л f w cdn ContxywM лго.-к - р еп» AT-av* Cmqr MxW He*> . - x
I Q Ab * ’ e z * * + ♦ « вз *п" a p o' ; i -. _'
t^Ti\<8*PI >1 : — : X -< •• • ! • * м С.Ч % -fl-fl a e^!« -
« пуск____ОмспгСоаа? ^- вм»,рж»<ь 9г/х‘и«)ЬИио э.<
Рис. 7.10
Рис. 7.11
itHVVpumUfmWl JfUUUrriU /
323
4 ПУСН fl Мсго-Ud SX9Л. •►*>»#»*”** □ mW*)’-М<Л_ »• ^.зд
Рис. 7.12
(пиктограмма Node Numbers на панели инструментов меню главного окна, рис. 7.9) и последующего входа в меню Analysis с выбором подменю АС.
На выпадающем подменю программа переходит в режим задания пределов (Limits) анализа, выбора способа анализа и представления результатов анализа на мониторе. Дтя анализа влияния на частотные свойства входных иепей в области высоких частот (файл Vamemhi.CIR, рис. 7.9) выбирают следующие параметры (рис. 7.13): частотная область анализа от I МГц до 10 ГГц (Frequency Range), при нормальной температуре (27 °C), без учета влияния Шумов на входе.
Результаты анализа обеих схем представляются на двух отдельных графи-Ках (Р) с логарифмическим законом изменения частоты (F) по оси абсцисс (^Expression) и величиной коэффициента усиления (выбором соответствующих ухтов) по оси ординат (YExpression) На экране монитора представляется анализируемая частотная область (XRange от 1 МГц до I ГГц. с шагом •5 МГц) и по оси ординат (YRange от 0 до 25, с шагом 5). Вход в режим расче-ТЬ| частотных характеристик происходит при нажатии на кнопку Run. Результаты расчета приведены на рис. 7.14.
Активизируя кнопку (рис. 7.14) Cursor Mode (ключ F8) получаем максимальное (при установлении курсора вблизи максимального значения, активизации кнопки Peak и двукратном нажатии на левую кнопку мыши) и гранич-1<Ое значения коэффициента усиления в представляемой области частот, что п°зволит затем перейти к семейству нормированных кривых обоих устройств, встроенных в одной системе координат. Получение нормированных характе-
JZ4
1 AUfiU GfTlUpun. unuiunut лииири/гцг1/111мл ришни ни uv м i хху/^г
Рис. 7.13
Рис. 7.14
ристик возможно нажатием кнопки АС (рис. 7.14) и на выпадающем подменю выбрать строку Limits (рис. 7.15). '*
На ниспадающем меню Limits задают параметры в соответствии с рис. 7.16.
Нормировка коэффициентов усиления проводится относительно максимальных значений, определяемых на рабочей частоте (выбирается низшая I МГц), рис. 7.14. Перевод курсора из одной системы координат в другую И
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
325
^icro-Cep 8.0.9.0 Evaluation Version - (AC Analysis]
- — V? У $*ЛЛЛ.С31 * 1. 4*mBu*-* !«Bi
737 лгх»-? сртегв унаа ‘ - .
20003
15003
8 0X,M
25СО!£То7(ГШ32Г"
10 002
F(H0
« oX-
1W0
3400
3X0
3X0^
F(MS
Cjrs-f Мозе
J пуск
Sox» моПйСагЬ net
₽2
Lints
1 Stepp^g.. СрСггйв... Fll CTkFIL
J < Ara>rss V« v il>v M
W5th CTkw
Breakxonts. At*F9
! X> Window >
Г91 гм •пзгке Wrtto*’* >
• f' ’ r~rdow9
Mjmerc Output F5
Stale Var tables Edrxr.. F12
• Reduce :*жз Pore..
Exit Anafvsis F3
• • • ’ • •
Lei 24732 1 С0ЭМ
ом
Luf.
SCI 5-irr 1 030V
Accesses De Afiayss u-nts Oaiog box
О Mcro-Cac 0 09.3...
Моилопмэ1г=>
О
C iP 8 E»3k.»bon Ven ь iTtffnh» С1Э [7ГГ
10СМ
•G
1С0м
Э r«MX&asi7 -r/xro...
13G Su*
-2 I7ln
1 030
Fight 16C? 2m
10 000C-
RJX’t 2O»9r-10 00CG
Рис. 7.15
De 13
•24 >12
9.999G
10 030G.O ок
Эе<Ь
•330 601 m 9 9593
locate
•90 0«p
I X>0
Рис. 7.16
0 8X
^Жатие левой кнопки мыши позволяет определять максимальные значения °^ффициента усиления для эмиттерного повторителя. Нормировку значений ^эффициента усиления на произвольной частоте дня резисторного каскада и итттерного повторителя производят к максимальному значению коэффини-(Yr1 УСИления — на частоте 1 МГц (см. рис. 7.16). После коррекции пределов Kange для резисторного каскада) нажатием кнопки Run переходят в режим
ЭЧализа (рис. 7.17).
JZO
пива tfmupuH, unut.unat: лииири!пирныл puuom no L/C U Г1лр.У
О Micro-Cap 8.0Л.0 Evaluation Version [AC Analysis] . 3 *
L«H R./.I Mil Sw
Mamina 70;о»л urn. 4t»*r JtM
(И'ЧМПЛт ISSKta U’KH Ul.nnr mill
ins <issa> icooce «мео iooo
Рис. 7.17
Использование нормированных зависимостей существенно облегчает сравнение частотных характеристик каждого из устройств (определение f, для схемы включения транзистора с ОЭ и f, для схемы с ОК). Для определения граничной f, нажимаем пиктограмму Go То Y (рис. 7.16) и на закладке Value указываем уровень (0,707), по которому оценивается значение частоты левым маркером (при нажатии на кнопку Left). Полученные значения заносятся в таблицу 1. Соответствующим выбором узлов проводится выявление частотных искажений по сквозным характеристикам устройств. Результаты (f*B схема ОЭ и f*„ схема ОК) заносятся в табл. 1. Выход из режима анализа осуществляется нажатием ключа F3 на клавиатуре. ,<М
Методика изучения влияния выходных цепей на частотные свойства каскадов аналогична, изложенной выше. Это же относится к выбору пределов исследования по частоте и коэффициенту' усиления. Анализируются схемы рис. 7.10 (файл Vamemho.CIR). Результаты измерений заносятся в табл. I. 1
Исследование влияния входных и выходных цепей на частотные свойств*1 каскадов с ОЭ и ОК в области нижних частот проводятся по описанной ранее методике. Принципиальные схемы каскадов рис. 7.11 учитывают влияние вход* ных цепей (файл Vamemli.CIR). После ввода принципиальной схемы каскадов и выбора номеров узлов для изучения частотных свойств на основе коэффициента передачи по напряжению или сквозного коэффициента передачи выбирают в окне главного меню АС и выбирают пределы анализа (AC Analysis Limits)
лаоораторная риоота jv? /
327
рИС. 7.18. Для указанных значений Fequency Range анализ будет проводиться от 0.01 до 10Е6 Гн с выводом на монитор такого же частотного диапазона.
Определив на каждом из графиков максимальное значение коэффициента усиления, проводят их нормирование и после ввода новой таблицы пределов анализа (рис. 7.19), получают нормированные частотные характеристики ко-
Рис. 7.18
эффициента передачи резисторного каскада при включении транзистора по схеме с ОЭ и с ОК (рис. 7.20). Активизировав пиктограмму Cursor Mode в окне графиков проводим измерение значения fHt>3 для схемы с ОЭ и fH0K схемы с ОК. Измеренные значения заносятся в таблицу 1. Подобные измерения проводят для сквозного коэффициента передачи.
Аналогичные измерения проводят для схем, учитывающих влияние выходных цепей на частотные свойства каскадов с ОЭ и ОК в области нижних частот (файл Amemlo.CIR). Значения пределов по частоте и коэффициенту усиления выбираются как для схем файла Amemli.CIR. Измеренные значения С и f*M для обеих схем и нормированных коэффициентов усиления по напряжению и сквозного, заносятся в таблицу 1.
'AC Analysis Limits
R-rOptcn: Ncx-r^ <
ilateVanabm Zvc _z_
~~ Au(o Scale Range»
f' «Одетсу Range [ ди: Kurt» d
’enpaaUe w ]
M Change X Nafce rpm
YExptewion
[МНУ.’ПОВ/ОЖ?
X Rarge | Y Range [lefi.O ” |l10.3 2 jle4.00Ve3 |l OjI
Рис. 7.19
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 7.20
4 Обработка результатов расчета и эксперимента
4.1. Для сопоставления величин, найденных расчетным путем, и, полученных в машинном эксперименте, составьте таблицу I. В случае значительных расхождений между полученными результатами проверьте исходные данные и повторите домашний расчет. 1
Таблица /
Способ включения транзистэра — - -- Злмяюиая цепь “1 Коэффициент усиления на средней частоте 1*
Входная Выходная
1.
Расчет Экспер •>жмет Э<слер Расчет Экслер Экспер
ОЭ По напряжению К
ок
ОЭ По ЭОС I к
ок
лабораторная раоота as /
329
5 Содержание отчета
Отчет должен включать в себя:
. наименование и цель работы;
• исходные данные для расчета;
. принципиальную схему лабораторного макета;
• результаты расчета и эксперимента, сведенные в табл. 1;
• распечатки графиков АЧХ для каскадов с ОЭ и ОК (по напряжению и ЭДС), соответствующие табл. 1;
• краткие выводы по работе.
6 Контрольные вопросы
]. Нарисовать принципиальную схему каскада с ОЭ и показать пути протекания постоянных и переменных составляющих токов.
2. Изобразить принципиальную схему каскада с ОК и показать пути про
текания постоянных и переменных составляющих токов.
3. Как определяются пределы для снятия АЧХ в области нижних частот и в области верхних частот?
4. Как определяются значения нижней и верхней граничных частот?
5. Какие элементы схемы и почему определяют свойства входной цепи?
6. Какие элементы схемы определяют свойства выходной цепи?
7. Какие используются приемы для снижения влияния выходной цепи при исследовании частотных свойств входной цепи?
8. Как получить семейство графиков в одной системе координат?
9. Как задаются параметры источника входного сигнала?
10. Какими элементами схемы определяются частотные искажения в области нижних (верхних) частот?
II. В какой схеме (ОЭ или ОК) искажения в области (нижних) верхних
частот больше и почему?
12. Почему в схеме с ОЭ коэффициент усиления значительно выше чем в
схеме с ОК?
7 Краткие теоретические сведения
7.1 Основные характеристики эмиттерного повторителя
Схема лабораторной установки (рис. 7.1) позволяет манипуляцией ключей получатьпринципиальные схемы резисторного усилительного каскада Фис. 7.21а) и эмиттерного повторителя (рис. 7.21(7) с сохранением неизмен-Ным режима работы транзистора по постоянному току.
Нам принципиальных схемах оставлены компоненты, соответствующие Разомкнутому положению ключей SI, S4, S5. Пути протекания постоянных т°Ков транзисторов в схемах резисторного усилителя и эмиттерного повтори-ия 1М, 1ко> 1л соответствуют изображенным на рис. 1.15 раздела 7 лабораторной работы № 1.
а) б)
Рис. 7Д1
Протекание переменной составляющей входных и выходных токов в peJ зисторном каскаде соответствуют рис. 1.20 и рис. 1.21 раздела 7 лабораторной работы № 1. В отличие от рис. 1.21 коллекторный ток транзистора VTI не протекает через элементы входной цепи второго каскада, определяющие pro жим работы транзистора VT2 и сам транзистор VT2. Свойства второго каскам моделируют в этой лабораторной работе резистор и конденсатор С}.
В эмитттерном повторителе переменная составляющая от источника сиА нала, для указанной в некоторый момент времени полярности (рис. 2.7](М протекает по параллельному соединению R> и R, и некоторому эквивалентной му сопротивлению, состоящему из сопротивления открытого БЭ перехода вместе с последовательно включенным эквивалентным сопротивлением нагрузки по переменному току R.= RsRfe/(R5 + Rj- Сопротивление запертого коллекторно-базового (КБ) перехода значительно больше сопротивления открытого БЭ перехода вместе с R. и ток источника сигнала практически не протекает в коллекторной цепи. : Я
Эквивалентная схема эмиттерного повторителя (транзистор включен по схеме с ОК и замещен П — образной физической моделью Джиаколетто) имеет вид, рис. 7,22. ^Я
Рис. 7.22
Элементы эквивалентной схемы БТ отражают физические процессы, про' текаюшие в его структуре, и особенности технологии при его производстве. 1 гб' — объемное (распределенное) сопротивление базы;
г^ — сопротивление между базой и эмиттером;
~ емкость между базой и эмиттером, равная примерно зарядной еМЧ кости эмиттерного перехода; Я
Ck = CSk — емкость между' базой и коллектором, определяемая в осноА ном барьерной емкостью коллекторного перехода (Cr « Cg,);
Лабораторная работа № 7
331
г — сопротивление между коллектором и базой, равное в основном диф-„енциальному сопротивлению коллекторного перехода (г6.ж » г63);
ч* и — генератор тока, управляемый напряжением на базо-эмиттер ном 'мзде, отражающий усилительные свойства транзистора;
у __ напряжение на базо-эмиттерном переходе;
S _ крутизна характеристики выходного тока транзистора как функция напряжения на переходе.
Эквивалентная схема каскада показывает, что управляемый входным сигналом источник (SnUn) создает ток коллектора во внешней цепи значительно превышающий ток источника (iM = h21^i6), что отражает усилительные свойства транзистора.
Емкости базо-эмиттерного БЭ и коллекторно-базового КБ переходов в эквивалентной схеме транзистора указывают на частотную зависимость выходных параметров БТ. Частота, на которой значение коэффициента усиления по току h2l3 уменьшается в V2 раз (на 3 дБ) от значения h21X) на низкой частоте, называется граничной частотой по коэффициенту передачи транзистора по току ГИ|Э. Частота, на которой усилительные свойства по току транзистора исчезают (h,b = 1), называется граничной частотой транзистора fT.
Источник управляемого тока SJJ,, создает протекание переменной составляющей тока во внешней цепи, подключенной к коллекторному выводу транзистора. Пути протекания токов во внешних цепях, дтя указанной полярности источника тока, приведены на рис. 7.23.
Считая сопротивление конденсатора С, на рабочей частоте близкой к нулю (величина емкости реально включаемого конденсатора достаточно велика) и параллельное включение R2 и R3 вместе с сопротивлением источника входного сигнала Rt заменить на Rr, принципиальную схему эмиттерного повторителя (ЭП) можно упростить (рис. 7.24).
Напряжение между БЭ U6j, определяется разностью напряжений между базой и землей (Ц^). создаваемое генератором Ег (полярность источника сигнала указана для некоторого момента времени)и напряжением на R. (на нагрузке — Uw). Запирающее напряжение для этого типа проводимости транзистора приводит к уменьшению тока базы, а значит и тока коллектора и эмиттера, т. е. к возрастанию напряжения на эмиттере и падению напряжения На нагрузке R.. Отсюда видно, что изменения напряжения на базе транзистора и на эмиттере совпадают, т. е. эмиттерный повторитель фазу входного сигнала не изменяет (не инвертирует). При постоянстве амплитуды напряжения
Рис. 7.23
Рис. 7.24
332 Глава вторая. Описание лабораторных работ по UC и гпрл
источника сигнала (идеального генератора) Е, это приводит к увеличению на-пряжения U6„ следовательно транзистор закроется слабее, т. е. существу^ противодействие входному изменению — обратная связь отрицательная. Та1с как напряжение обратной связи (ОС) равно входному, то это 100 % ОС. 1
Способ ввода ОС определяется методом холостого хода (XX) и короткого замыкания (КЗ) источника сигнала. Так как при обрыве цепи генератора о(|
лителя без ОС и цепи ОС.
ратная связь исчезает, то значит она последова. тельная по входу (при КЗ источника — ОС Я храняется). При КЗ сопротивления нагрузД (R = 0) ОС исчезает, при бесконечно большом (R -» оо) сохраняется, то это означает, что Ос параллельная по выходу — по напряжению. Таким образом, ЭП обладает 100% отрицательной ОС последовательной по напряжению. Последовательная по входу отрицательная ОС увеличивает входное сопротивление, так как оно
определяется суммарным сопротивлением уси-Эквивалентная схема входной цепи эмитгерного
повторителя с учетом отрицательной ОС имеет вид (рис. 7.25). Входное со
противление определяется на рабочей частоте с учетом того, что
г6',, а также, что R. « го и Rr « гв.„
„ — м — rt>* + Ы|0ч + V.R-
СК — ~ —
— вх
= + (г, + R..)(I + h,„). (7.1)
Отсюда следует, что входное сопротивление эмиттерного повторителе больше входного сопротивления схемы с общим эмиттером в R.hn, раз.
Входное сопротивление каскада при f -> 0 сравнительно велико, оно су шественно больше чем у каскада с ОЭ, если только R. нс слишком мало. Я
Коэффициент усиления по напряжению на средней частоте эмиттерноф повторителя
К U" К
°- uB ufo + u„ 1 + UH/Uto 1 + К’
ZX*
что совпадает с коэффициентом усиления усилителя, охваченного 100 жМ
К =_________h2HR-_________ hji»R-________
R «<«(1 + hji»R-/R ,<OT Rwoi+hjbR-
________h2bR -_____________h2|?R-____ (7^1
fj, + r,(l + h2t,)h2l>R- re + h2„(r, + R-) ‘
где R„0J r6. + r,(l +• Ид,).
Лабораторная работа № 7
333
Соответственно сквозной коэффициент усиления эмиттерного повторите-
<1Я на средней частоте
К" = U**" - К •• _ h2uR-/(R- ; rt - г6э)
I °* Ег 1 + К‘„ “l + h2bR-/(R- +гб + г;,)’ <7Л)
где K’o,= hji,RV(R,+г6 + гД) — сквозной коэффициент усиления каскада с ОЭ на средней частоте.
Выходное сопротивление каскада с ОК, определенное при условии £, = 0.
R = Лв _ I б> 6 ~ _ hjb + Rf _ R г Г6 + Г6э . 7 <-.
I, ’ hU + l./h) = 1 + ЬИ» ’ l^Snr6, • 1
Выходное сопротивление каскада с ОК сравнительно мало, но растет с увеличением R . Это объясняется тем, что выходное сопротивление, измеренное между эмиттером и коллектором близко ко входному сопротивлению каскада с ОБ, особенно при Rr « hlb.
Параллельная по выходу отрицательная ОС снижает выходное сопротивление, так как результирующее выходное сопротивление будет меньше меньшего из них. Уменьшение R, приводит к большему влиянию отрицательной ОС на свойств;! усилителя, как и изменение сопротивления нагрузки R.. Вместе с тем, ОС можно сказать отсутствует при Rr -» «, когда выходное сопротивление каскада оказывается значительным, как и при R. -» 0, когда входное сопротивление оказывается примерно равным входному сопротивлению каскада с ОЭ (=hHj).
7.2 Частотные свойства эмиттерного повторителя
Частотные свойства каскада исследуются с использованием эквивалентной схемы каскада с ОК (рис. 7.22) и учетом невзаимных свойств транзистора.
7.2.1 Свойства входной цепи
В области верхних частот эквивалентная схема входной цепи может быть Представлена рис. 7.26о, где R. параллельное соединение резисторов R; и R,.
Эквивалентная емкость Со определяется реактивным элементами эквива-rH™0” схемы транзистора (в основном емкостью запертого КБ перехода). °1ьзуя теорему об эквивалентном генераторе можно перейти к эквива-
334
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
лентной схеме более удобной для анализа (рис. 7.265), где параметры эквивп
лентной схемы Я
R г R^R* + R-) п
•,О‘~(ЯЛ + г(.)Я, +Л,„(г, + Л.)’ 1
______________1____________+ с R-(l + h2la)
2nfhlb(r> + R~)(! + h2b) Ч-э + R-(! + h2(J)
1
2nfT(r, + R.) I
g SgfiSgj
Видно, что на частотные свойства входной цепи влияет в основном С (Ск « С6.э(, что увеличивает граничную частоту по условию 0,707 f 1 "~*2zRao<C0
(7.8)
При оптимальных, с точки зрения ОС условиях, (R, = 0, R. -> <ю) каейад способен пропускать очень широкую полосу частот (fB -> flp>, зависящую от трудно контролируемых факторов. Я
На нижних частотах влияние на частотные свойства входной цепи оказы-| вают разделительные емкости. Пренебрегая в области нижних частот влиянием реактивностей транзистора, вследствие малой величины емкости переходов, входное сопротивление каскада будет чисто активным и состоящим из параллельного соединения и R„XOK (рис. 7.27а). 'Я
а) б)
Рис. 7.27
Упрощенная эквивалентная схема входной цепи (рис. 7.276) содержит элементы
RH4 — RH
R = R,(r6 + (г., + R-)h2„) (7 9)
0 Rд + г6. + (гэ + R-)h2|, ’ 1
и граничная частота для сквозного коэффициента усиления определяется как
Гичок=1/2яад + Ro J. (7,0)
7.2.2 Свойства выходной цепи
Исследование свойств выходной цепи эмиттерного повторителя в области НЧ проводятся с использованием эквивалентной схемы выходной части каскад3
Лабораторная работа № 7
335
а) б)
Рис. 7.28
Если считать управляемый источник тока (SnU„) идеальным и сопротив-тсние КБ перехода очень большим, что в большинстве случаев справедливо, то источником выходного сигнала (рис. 7.28) можно считать БЭ промежуток, обладающий некоторым сопротивлением (при условии, что источник входного сигнала Ег отсутствует).
Дтя эквивалентной схемы выходной цепи эмиттерного повторителя в области НЧ
Ue, = + и;
и = и6э - i6R,.
Тогда
_ R, + htlJ R, - г6. + г8, 1 + h2b 1 + S„r6,
(7.11)
Используя теорему об эквивалентном генераторе эквивалентную схему (рис. 7.28а) можно сделать более удобной для анализа (рис. 7.285), где
R
НЧ ок
р р
14 вых ок 5
R пых ок + R 5
(7.12)
Нижняя граничная частота эмиттерного повторителя по уровню 0,707, определяемая свойствами выходных цепей
fmo<= 1/2x0^ „+КД (7.13)
Влияние реактивных цепей транзистора на частотные свойства выходных Цепей (область верхних частот) ЭП определяется нс только влиянием емкостей переходов транзистора, а также индуктивностью общего вывода транзистора L,ux= r6.+ R,/<oT. Индуктивность LBU1X учитывает снижение h2b с ростом частоты (рис. 7.29а). На свойства выходной цепи оказывает входная цепь следующего каскада, представленная активной (R6) и реактивной (С6) составляющими. Вследствие низкого выходного сопротивления эмитгерного повторите-
Рис. 7.29
/лава «торам. i/nucanut лабораторных раоот по L/C и гпру ля влиянием выходной емкости транзистора на частотные свойства в схеме J ОК можно пренебречь. Эквивалентное сопротивление выходной иепи 1 1/Ки= l/R.UI1M+l/RJ+ I/R*, (7.Ц)
а эквивалентная емкость
Со = С№, + С5, <7.15)
где
С^, » CJ1 + h2l,R?(Ri + R» И
a R^t<M определяется по (7.11).
Тогда выходное напряжение
= IZc = Vj«>C5 = SnU„/j<oC0. (7.16)
Е /iwCft J В
1 =--------—-----2-----. (7 17)
R, + j(wL + l,'j<oC0) '
Верхняя граничная частота по уровню 0.707. определяемая влиянием выходной цепи Я
о. = V2^4LCo + RCo) + ^RCo)2 +1RLCJ+5(LCo)7LCo. (7 18)
Верхняя частота, определенная по упрощенной формуле, не учитывающей влияние индуктивности общего вывода Я
f_= 1/2kR„C0, (7.19)
где R„, и Со определяются в соответствие с (7.14), (7.15).
8 Список литературы
1. Головин О. В., КубинкиЙ А. А. Электронные усилители. М.: Радио и
связь, 1983. 323 с.
2. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Радио и связь. 1997. 367 с. Я
3. Усилительные устройства / под ред. Головина О. В. М.: Радио и связь.
1993. М 4
4. Разевиг В. Д. Система схемотехнического проектирования Micro-CAPV. М.: СОЛОН, 1997. 273.
5. hup://WWW/spectmm-soft/com/demo/htrnl (адрес в Internet для получе-. ния студенческой версии ССМ МС).
Приложение 1 1
•
• эквивалентное внутреннее сопротивление источника сигндта R| = 510 ОМ.
• ток покоя транзистора |м = 2 мА;
• параметры транзистора КТ326В: I
h2b = 99, г, = 25,6 Ом, С, = 5 пФ, тк = 450 пс, f,p = f, = 400 МГн. I
Лабораторная работа № 8
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ЦЕПЯМИ КОРРЕКЦИИ
1 Цель работы
Исследование влияния корректирующих звеньев и отрицательной обратной связи на частотные свойства и переходные характеристики резисторных каскадов. $ — 5 • М
Выбор параметров корректирующих цепей для обеспечения максимально плоской амплитудно-частотной характеристики усилителя и минимума искажений переходной характеристики.
2 Задания по расчетной части
2а Высокочастотная коррекция
1. Рассчитать верхнюю частоту fH4rp для схемы простой коллекторной коррекции для коэффициента искажений \1 = 3 лБ и параметров схемы, изображенной на рис. 8.1, а.
26 Низкочастотная коррекция
1. Определить при известных величинах компонентов принципиальной схемы (рис. 8.2а) оптимальное' значение Сф, обеспечивающее максимально Тоскую амплитудночастотную (АЧХ) характеристику каскада.
2. Определить граничную частоту fH>( по уровню — 3 дБ, для рассчитан-н°й емкости Сж.
ф
3 Задания по экспериментальной части За ВысокочасУотная коррекция
1. Получить АЧХ каскада с индуктивной ВЧ коррекцией. Оценить по ней Учение Гжгр по уровню — 3 дБ для элементов принципиальной схемы, ука-^йных на рис. 8.1а.
/лава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
2. Изучить влияние элементов корректирующего звена L и R на свойств* АЧХ.
Обеспечить максимально плоскую АЧХ и определить fmrp. Л
3. Получить переходную характеристику на выходе усилителя для случая максимально плоской АЧХ и, по ней оценить время установления импульса’ величину выброса импульса. 11
4. Получить АЧХ каскада, использующую эмиттерную коррекцию (рис. 8.15). Для указанных на принципиальной схеме значениях элементов оц.
рсделить fmn, по уровню—3 дБ.
5. Изучить влияние на АЧХ параметров корректирующей цепи. Вариаиц. ей RKOP и Скор добиться максимально плоской АЧХ. и определить Гигр по уров. ню -3 дБ. И
6. Оценить параметры переходной характеристики для случая максималь» но плоской АЧХ.
36 Низкочастотная коррекция Л
1. Получить АЧХ усилительного каскада для элементов схемы, указанных на рис. 8.2о. Оценить значение f по уровню -3 дБ.
2. Вариацией параметров звена R^. и Сф обеспечить максимально плоскую АЧХ каскада. Оценить f,14rp по уровню —3 дБ.
3. Получить переходную характеристику на нагрузке усилительного каскада и оценить величину искажений выходного импульса при максимально плои ской АЧХ. '
4. Для указанных параметров принципиальной схемы усилителя с НЧ коррекцией за счет ООС (рис. 8.26), получить АЧХ и оценить значение f^.
5. Подбором параметров цепи обратной связи обеспечить максимальна' плоскую АЧХ усилителя. Оценить значение fH., ф по уровню -3 дБ. J
6. Получить переходную характеристику каскада дтя случая максимально плоской АЧХ и оценить величину искажений выходного импульса. g
4 Описание принципиальной схемы Л
4а Схемы высокочастотной коррекции 1
На рис. 8.1 представлены принципиальные схемы усилительных каскадов реализующих принцип высокочастотной коррекции, основанный на примене* нии специального корректирующего звена (RLC) или цепочки в эмиттере, »с* пользующей явления отрицательной обратной связи (ООС) I
Схема широкополосного усилителя с коллекторной коррекцией (рис. построена по традиционной схеме резисторного каскада при включении 6И4 полярного транзистора (БТ) по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Резистор отображает внутреннее сопротивление источника сигнала, С1 и СЗ являются разделительными конденсаторами, исключающими протекание постояннь** токов от источника сигнала в усилительный каскад и наоборот, а СЗ попал*, ние постоянной составляющей из каскада в нагрузку (R6, С4). Резисторы Ч и R3 являются делителем, обеспечивающим напряжение смешения на базе Я
Лабораторная работа J>& 8
339
Рис. 8.!
протекание базового тока. Цепочка R5 С2 используется как цепочка температурной стабилизации, обеспечивающая поддержание режима по постоянному току (рабочую точку) за счет ООС на резисторе R5 вместе с R3 и, сохраняющую высокий коэффициент усиления на рабочей частоте из-за исключения ООС по переменному току. Резистор R4 выполняет двоякую роль: элементом, с которого снимается усиленное напряжение, и одновременно является «сопротивлением потерь» в индуктивности LI, входящей в состав колебательного контура. Емкостной составляющей колебательного контура является конден-СатоР С4, реально отображающий емкость входа следующего каскада, определяемую в основном емкостью базо-эмиттерного перехода.
Ь схеме широкополосного усилителя с эмиттерной ВЧ коррекцией, представ-кпНн°1’ на Рис 8.16, отсутствует корректирующая индуктивность L, а роль РРектирующего звена выполняет дополнительно включенная в эмиттер ие-. Чка RI3 С9, параметры которой выбраны таким образом, что в области ра-Но ИХ частот она выполняет роль цепочки ООС по постоянному и перемен-
У токам. С ростом частоты С9 шунтирует RI3 и устраняет ООС по псре-"”°му ТОКУ увеличивая коэффициент усиления каскада. С резистора R10 Гр МаеТСЯ усиленное напряжение (часть нагрузки по переменному току). На-Зкой усилителя является параллельное включение RIO, R12, С8.
'ггоГ?>еЖимы по постоянному току обоих каскадов выбраны одинаковыми, можно было легко сравнить эффективность работы различных схем орРекиии.
see
340
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
46 Схемы низкочастотной коррекции
Низкочастотная коррекция обеспечивает расширение полосы пропуск ния усилителя в нижней части, улучшая воспроизведение низких частот hj снижая искажения переходной характеристики в области больших врем< (скол вершины импульса).При этом используются схемы коррекции. Я
Схема широкополосного усилителя с НЧ коррекцией с помощью развязывщ щих фильтров представлена на рис. 8.2а. 1
Рис. 8.2
Принципиальная схема резисторного каскада и. назначение компонен е отличаются от описанных ранее в схеме стандартного резистора усилителя низкой частоты. Особенностью является включение ра: зываюшего фильтра R20, С14 в коллекторную цепь транзистора.
Развязывающие фильтры устанавливается между каскадами в оби шину питания, т. к. обычно используется один источник для всех узлов м го-либо устройства (например, усилителя). Это позволяет снизить алия наиболее мощного каскада в многокаскадном усилителе на каскады, шие малым уровнем входного воздействия, через общий источник Наличие у реального источника питания конечного внутреннего сопротивД на всех делителях переменное напряжение (например, RI5. R1 , сравнимое с напряжением полезного сигнала. Включение так! щественно снижают взаимное влияние каскадов, и одновременн
Лабораторная работа jXs 8
341
и могут использоваться как цепочки низкочастотной коррекции, увеличила усиление каскада в области нижних частот при определенном соотношении CI4 и CI2. Конденсатор С13 можно исключить из схемы, как нс влияю-ший на частотные свойства каскада в области нижних частот.
Схема усилителя с коррекцией АЧХ в области нижних частот включением настотно-зависимой ООС (рис. 8.26) реализуется как двухкаскадный усилитель. При этом первый каскад на биполярном транзисторе ЧТ! обладает местной отрицательной обратной связью по постоянному и переменному токам, организуемой на резисторе R30. Цепь обшей обратной связи, охватывающей одновременно оба каскада, создается цепочкой С20, R31. Развязывающие фильтры в принципиальной схеме усилителя отсутствуют, чтобы исключить их влияние на АЧХ усилителя. Каждый из транзисторов усилителя, включенных по схеме с ОЭ, поворачивает фазу входного сигнала на 180°. Поэтому фаза напряжения на выходе второго каскада будет отличаться от фазы входного сигнала на 360°. Подача части выходной мощности (напряжения) выходного сигнала на вход первого каскада обеспечивал бы равенство фаз входного и напряжения, т. е. возникала бы положительная ОС, увеличивающая линейные и нели
нейные искажения. Ввод напряжения ОС в эмиттерную цепь транзистора VT1
приводит к противофазному изменению входного и напряжения ОС на проме
жутке база—эмиттер, создавая ООС. Отрицательная ОС улучшает частотные
свойства усилителей, уменьшая коэффициент усиления. Назначение осталь
ных компонентов принципиальной схемы усилителя рассматривались ранее.
Для сравнения усилительных и частотных свойств каскадов с НЧ коррекцией транзисторы работают^ одинаковом режиме (коллекторные токи транзисторов равны).
5 Методические указания по выполнению работы
5.1 Расчетная часть
Расчет f,4rp проводится с использованием эквивалентной схемы транзистора Джиаколетто и элементов входной цепи следующего каскада, применяя соотношения из раздела 8 лабораторного описания и параметры компонентов принципиальной схемы рис. 8.1а.
Расчет fmrp для схемы частотной коррекции с использованием раздели-тельных фильтров проводится с использованием эквивалентной схемы транзистора и элементов принципиальной схемы каскада (рис. 8.2а). 1
5.2 Экспериментальная часть
Частотные свойства резисторного каскада на транзисторе VTI изучаются с Применением моделирования принципиальной схемы усилителя во всей области частот на ЭВМ с учетом свойств источника сигнала и влияния второго Каскада (на транзисторе VT2), полученных при:
• исследовании принципиальной схемы каскада;
• исследовании полной эквивалентной схемы каскада.
342 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Машинный эксперимент по исследованию свойств резисторного каскад проводится на ПЭВМ с использованием системы схемотехничского модели, рования Micro Сар8 (МС8).
Предполагается, что : ‘
• студенты знакомы с основами работы операционной системы WIN. DOWS 98 (или более поздними версиями),
• имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии, по указанному в п. J настоящего описания адресу, получить инсталляционные файлы студен, ческой версии программы mc8demo.exe или приобрести эту программ», на CR дисках. ^В
При выполнении п. З.а.1—З.а.6 следует загрузить систему схемотехнического проектирования МС8 и вызвать в главное окно принципиальную схему усилителя с цепочкой коллекторной ВЧ коррекции (рис. 8.1а), находящуюся в файле Vrescor.CIR. Для этого необходимо выбрать режим FILE основного меню (рис. 8.1), в выпадающем окне выбрать файл C:\MC8DEMO\data\ Vrescor.CIR. вызвав его в основное окно редактора. В центральном окне редактора должна появиться принципиальная схема усилителя, приведенная на рис. 8.1. Следует убедиться в соответствии параметров вызванной схемы и, приведенной в описании, (при этом нумерация элементов может отличаться от приведенной на рис. 8.1 и это не требует редактирования).
Ввод основных компонентов принципиальных схем
Если полученные методические материалы не содержат дискету с файлом принципиальной схемы усилителя, то се следуем ввести самостоятельно, ММ брав режим FILE в меню главного окна (рис. 8.3), которое представлено командами: File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, Help.
Рис. 8.3
Лабораторная работа j\$ 8
343
Меню File служит для загрузки, создания и сохранения файлов схем, биб-1Иотск математических моделей компонентов схем и для вывода схем на принтер- При этом программа автоматически присваивает окну схем некоторый текущий номер (например, circuit?).
Меню Edit служит для создания электрических схем, их редактирования, а также редактирования символов компонентов схем. |
Команда Component главного меню используется для добавления в создаваемую или редактируемую схему компонентов, в дополнение к содержащимся в каталоге МС8 (каталог содержит более 100 аналоговых и цифровых компонентов). Каталог команды Component можно редактировать, создавая новые разделы иерархии и вводить в них новые компоненты (например, транзисторы отечественного производства). Меню команды Windows позволяет манипулировать открытыми окнами, обеспечивая доступ к редакторам
МС8 и калькулятору.
Меню Options используется для настройки параметров программы.
Меню Analysis предлагает виды анализа введенной принципиальной схемы.
Меню Help позволяет обратиться к встроенному файлу помощи и оценить, на предлагаемых примерах, возможности программы.
, Создание принципиальной схемы начинается с выбора курсором компонента принципиальной схемы на строке основных компонентов (рис. 8.3) и
нажатием на пиктограмму компонента левой кнопки мыши.
Перемещение компонента на экране производится при нажатой левой кнопке, а при необходимости изменить положение компонента, щелкают правой кнопкой при нажатой левой кнопке. При отпускании левой кнопки местоположение компонента фиксируется и в ниспадающем меню (рис. 8.4)
появляется предложение присвоить ему позиционное обозначение в активи
рованной строке PART.
Затем в рамке VALUE и, в соответствующей активированной строке лево-
го окна, указывается величина компонента. Присвоенное компоненту пози
ционное
значение и величина будут изображаться в главном окне при вво-
ле принципиальной схемы, если соответствующий параметр будет помечен галочкой SHOW в рамке Name или Value, соответственно. При вводе значения Параметров допускается использование масштабных коэффициентов:
Значение 6 10 3 10 I -з 10 13 to -12 10 -15 10
л ~ MEG К м и N р F ]
Форма _ ЮЕ+6 10Е+3 юе-з 10Е-6 10Е-9 10Е-12 10Е-15 |
Масштабный коэффициент может содержать и другие дополнительные Мо ВОЛЫ’ котоРые программа игнорирует. То есть величина емкости в 5 пФ ж ет быть введена: 5 PF или 5 Р или 5E-I2 В ниспадающем меню может так и0 11а°литься информация о мощности, рассеиваемой на компоненте, типе грУПуса, стоимости, что необходимо для дальнейшего использования в про->стк^,е PCAD при разработке топологии печатной платы и оценке стоимости Б&оР°йства (если это предполагается в задании). Подтверждением окончания Да Любого компонента является нажатие клавиши ОК
344
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
ЛЦНсго-Сдр f Л.0.0 Evaluation Ven km - (CAMC8OEMO\daUklrcutt2.cfr]
/ПуСЙ 3 *4* х) Л^»-1-Мо<я©А ОРслхС* в Iа >~
Рис. 8.4
сведения введены неверно, то нажатие кнопки Cancel,отменяет всю введенную информацию о компоненте.
Транзистор типа NPN, который выбирается пиктограммой на второй строчке главного меню, устанавливается в схему, как описывалось ранее. * затем, на ниспадающем меню NPN:NPN Transistor (рис. 8.5), выбираются PART — позиционное обозначение компонента, его тип VALUE (может пропускаться) и MODEL — используемый транзистор — К.Т316В 1В
Поскольку в библиотеке транзисторов, предлагаемых в активированно* окне справа, нет транзистора КТ 316В, то необходимо ввести параметры дели транзистора в подсвеченных окнах Source: Local text area <* C:\MC8DEMO\data\.circuit2.cir (вместо представленных на рисунке), нал предварительно кнопку New. При этом в рамке Value вместо New ModelI в дится название транзистора КТ316В. Затем поочередно входим в окна метров транзистора и заменяем представленные программой МС8 парам на соответствующие транзистору КТ316В: Т
IS = 3.49F BF = 74.97 VAF=102 IKF = 0.1322 ISE = 44.72F NEeH BK = 0.2866 VAR = 55 M
IKR = 0.254 ISC = 447F NC = 2 RB = 66.7 RC = 7.33 CJE = > 0.69 MJE = 0.33
VJE = 0.69 MJE = 0.33
ОС = 3.93 Р VJC = 0.656 MJC = 0.33 FC = 0.5 TF = 94.42P XTF'
VTF = 15 ITF = 0.15 1
TR = 65.92N EG = 1.11 XTB = 1.5, остальные параметры модели Тр<1И стора принимаются по умолчанию. 4
Лабораторная работа Mi 8
345
Рис. 8.5
Модель генератора гармонических сигналов выбирается на панели компо-нетов главного окна, присваивая обозначение PART V8 и тип модели MODEL SG. Параметры модели F, A, DC и т. д. вводятся в соответствии с рис. 8.6.
Список компонентов заносится в текстовый файл Source: Local text area of L:\MC8DEMO\data\circuit2.cir. В окне F указывается значение частоты генератора гармонических сигналов (в герцах), А — величину амплитуды сигнала <<> вольтах), DC — значение постоянной составляющей (в вольтах), PH — начальное значение фазы сигнала (в градусах), RS — величину внутреннего со-'Ч'отивдения источника сигналов (в Омах), RP — период повторения модели-РУемого процесса (если процесс затухающий, при указанной величине посто-нвой времени TAU, с), TAL' — постоянная времени затухания переходного "Роцесса.
Коррекция параметров источника сигнала проводится аналогично кор-.,а иии паРаметров транзистора. Поскольку АЧХ получают для некоторой об-
1 частот, то выбор частоты источника сигнала не имеет значения. В соот-всег Ие с алгоритмом расчета частотных характеристик в МС8 источнику ИсГп, Присваивают единичную амплитуду. Поэтому параметры описанного «Иге НИ|са сигнала будут использоваться в основном при анализе свойств усилен во временной области.
По,-напряжения источника питания VI принимается равной 7 В. гра "°’1ение источника питания (батареи) в схему после выбора его пикто-
м в строке главного меню и задания параметров (рис. 8.7) должно про-’Т'Ся с учетом типа проводимости транзистора.
346
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РНрУ
Рис. 8.6
Рис. 8.7
Соединительные линии между элементами схемы прочерчивают, нс зуя кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode (изображений нии) на панели инстру — ментов (рис. 8.3).
Лабораторная работа № 8
347
При необходимости коррекции некоторых элементов принципиальной схемы необходимо вначале удалить соответствующий элемент (компонент, пинию), нажав левой кнопкой мыши стрелку (Select Mode) — «изменение режима» окна главного меню, активизировать режим редактирования элементов или компонентов схемы. Затем, подведя курсор к компоненту, нажать левую кнопку мыши. При этом подсвечивается, обычно зеленым цветом, компонент иДн соответствующий текст на принципиальной схеме и затем, войдя в меню EDIT, выбирают CUT и удаляют необходимые атрибуты. Возникающие трудности при удалении элементов или вводе новых устраняются с использованием программы HELP главного меню.
Закончив ввод компонентов принципиальной схемы и, проверив их значение, нажатием кнопки Node Numbers (номера узлов) определяют узлы, на которые подаются или с которых снимаются напряжения.
Для удобства анализа целесообразно ввести вторую схему широкополосного усилителя с эмиттерной ВЧ коррекцией. Поскольку эти схемы обладают достаточно большим числом одинаковых элементов и схожи по начертанию, целесообразно скопировать часть схемы с коллекторной коррекцией. Для этого. выбрав в главном окне режим Select Mode, обводят рамкой часть интересующего объекта (усилителя с коллекторной ВЧ коррекцией) и. захватив прямоугольник нажатием левой кнопки мыши, перетаскивают в нужное место. Затем проведя коррекцию компонентов схемы, получим усилитель с ВЧ эмиттерной коррекцией (рис. 8.16).
Выбор режимов работы транзисторов по постоянному току
Перед началом анализа оценим режимы работы транзисторов по постоянному току. Для этого в режиме главного окна выбираем команду Analysis и на развернувшемся вниз меню — строку Dynamic DC.
Для приведенного на выпадающей закладке варианта выбора пределов режима Dynamic DC Limits, на принципиальной схеме указываются рассчитанные значения напряжений в узлах (по умолчанию), что реализуется для выбранной температуры (рис. 8.8) Temperature List (или списка значений) и величине шага изменения температуры в процентах (Slider Percentage Step Size). Убор режима Place Text (установка метки) позволяет получать на экране монитора, одновременно с величиной напряжения в узлах,значения температу-Ы’ при которой они определены.
___________\
Напряжения в узлах
Рис. 8.8
148 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Повторным нажатием кнопки напряжений в ухтах отменяем вывод на э*. ран монитора значений напряжений, и активизацией кнопки отображения то. ков в ветвях, получим значения величин постоянных токов, протекающих через элементы принципиальной схемы нажатием копки ОК (рис. 8.8). Убежда-емся, что значения постоянных токов эмиттера транзисторов (1Л = 1,59 мА) VT1 и VT2 практически одинаковы (рис. 8.9). так же как и напряжения межп коллектором и эмиттером (Ukj0= 5,3 В). Для получения одинаковых режимов необходимо изменить напряжение питания каскада с эмиттерной ВЧ коррек-цией, выбрав V3 = 9В (рис. 8.16). Значения остальных компонентов указаны на рис. 8.16.
1’ис. 8.9
Анализ свойств усилителей с ВЧ коррекцией
После установления одинаковых режимов работы транзисторов VTI и VT2 входим в режим анализа свойств усилителей в частотной области. W
Для этого, в меню главного окна выбираем команду Analysis и, в ниспадающем подменю, программу анализа частотных свойств АС (рис. 8.10) усилителя.
Нажатием левой кнопки мыши переходят к заданию пределов анализа, способа проведения анализа и представления на экране монитора результатов анализа.
В окне AC Analysis Limits (рис. 8.11) задается следующая информация: I
Frequency range — значения верхнего и нижнего пределов частот анализа!
Number of Points — количество точек в заданном частотном интервале. ®
котором производится расчет частотных характеристик и полученные значения выводятся в форме таблицы (если это указывается);
Лабораторная работа № 8
349
- ^cro-Cap 8 1 O.OEvaluatlon Version - [CAMC8DEM0\DATA\Vrescor.CIR]
IfTWTt...
g И ” 1
□ PG
* з
DvrarrwcCC .
D^rcm*-: AC
Sere it*
Transfer Ftnr.cr frsfcrborv_
ak-6
AJt-7
I ”• i л» a
«с*.
С» ж 1 «П 1»U 7V
Prcte'rareierc CM-At*:
Prob® AC.- CM-At *2
Robe DC. CM-AH3
RD
П4'7
Us’j
лс®с
ПППГ
\Мшп л7*СлМсое*$Х<г»о/
pc d^oorw; p:rc F^s AC an»V&s on W KT^orwt
o« • ZJ ) 15
7 ПуСМ О^кгоСарб! QiGcryM&^Mc... 'JWl-Hcr
Рис. 8.10
Temperature — диапазон изменения температур(может задаваться одно значение, при которой проводится анализ);
Maximum Change — максимально допустимое приращение функции на интервале шага по частоте (учитывается только при автоматическом выборе шага — активизация процедуры Auto Scale Ranges);
Noise Input — имя источника шума, подключенного ко входу усилителя;
Noise Output — номер(а) выходных зажимов, где вычисляется спектральная плотность напряжения шума;
Run Options — определяет способ хранения полученных результатов:
Normal — результаты расчетов не сохраняются;
Save — результаты сохраняются на жесткой диске;
Retrieve — использование результатов расчета, хранящегося на жестком диске для вывода на экран монитора:
State Variables — задание начальных условий интегрирования.
На экран монитора в соответствии с рис. 8.11 выводятся частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению (YExpression) в узлах 8 и 15. убдасть частот (XExpression), в которой проводится анализ, определяется ,1Г Рматом: максимхзьное значение выводимой переменной, ее минимальное ,,г»Чение и шаг сетки значений. Аналогично задаются условия при выводе на кРан монитора значений коэффициента усиления Характер изменения зна-4сНий по оси X — логарифмический, а по оси ординат — линейный, что вы-
350
Глава вторая. Описание лабораторных работ ни l/c и rupj
AC Analysis Limits
Л1
Aod £*-AU
1 Е**** | Siepcnfr,. | Ргоо»!«-.
Freoue'cy F W | _r<«
ICOOC
QunCztorw |l.cer>4 £t»eV»«attet |2«o
21
|l7?.1e3
Мамгкгт Слайде X
Mose IrvU NoseCdpd
НС ЧЕ
Г Ado ScW Явпдо
йвгдв
р| XEoieiMor
if' }wM3i
“|f ргьмйТ
~|F p241A119|
“p l'4-’-Vvtisi
V Екжвгот
YR
Т7“
|w«r
|1»7.1М |15.0.5
|*е30 ОТ рОЛ5
у-ь - L " ' ~~~ ' * 1
1 рквод результатов в виде таблицы F
Вис. 8.11
бирается нажатием двух тедых крайних кнопок в каждой строке ни водимь значений. Для выбранных условий анализа, определенных рис. 8.11, произн дят расчет АЧХ усилителя, нажатием кнопки Run. J
Частотные характеристики для параметров схемы, указанных на рис. 8.
приведены на рис. 8.12. .W
Рис. 8.12
Лабораторная работа As <У
351
Для нахождения верхней граничной частоты по уровню 3 дБ для схемы б^чей частоте (1 кГц), используя пиктограмму PEAK. Затем сдвинув маркер на'- ..
числяем коэффициент усиления на границе полосы пропускания О,7О7К
коллекторной ВЧ коррекции найдем значение коэффициента усиления на ра-
8.13) в окне выпадающего Value подменю Go То У (рис. 8.14) вводим
- частоту 1 кГц определим точное значение коэффициента усиления на этой частоте — Кср. Активизировав курсором пиктограмму GO ТО У (рис. 8.13) вы-
Нажатием на пиктограмму Go То У (в окне результатов вычислений, рис. 8.13) в окне выпадающего Value подменю Go То У (рис. 8.14) вводим значение 0,707Kvp и нажимаем на кнопку Right. Маркер определяет положение верхней граничной частоты fB4n,. Поступая аналогично, определите значение граничной частоты для схемы эмиттерной ВЧ коррекции. Полученные результаты заносите в табл. 1.
Рис. 8.13
Для достижения максимально плоской АЧХ усилителя применением кол-Лекторной ВЧ коррекции необходимо варьировать параметры колебательного к°нтура, изменяя LI, R4.
Очевидно, что увеличение индуктивности L1 уменьшает значение частоты ез°нанса, а увеличение сопротивления резистора R4 уменьшает добротность в Лебательного контура. Поскольку, вариация одновременно двух параметров версии MC8demo невозможна, то добиваться максимально плоской АЧХ бу-Поочередным изменением индуктивности, а затем"сопротивления.
в Для этого войдем из подменю AC Analysis Limits, нажав кнопку Stepping, ваРиации параметров. Нажав на кнопку раскрытия окна в строке Р What, активизируем строку LI, и затем вводим From — значение, являю-
352
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 8.14
Рис. 8.15
шссся минимальным, с которого начинается изменение LI. То — верхняя гр ница изменения величин LI, с шагом — Step Value (рис. 8.16). Установка то ки Yes в рамке Step It подтверждает режим варьирования параметров.
В рамке Method отмечаем кнопкой закон изменения компонента Lin< (Linear — линейный, Log — логарифмический или List — в соответствии
лит/ритирная рагюта jy? Л
353
Рис. 8.16
списком). В рамке Parameter Туре кнопкой помечаем вид варьируемого элемента: Component — компонент (Model — модель, например, источника сигнала). ___£1 # |
В рамке Change (изменение) выбирается (помечается точкой) способ изменения шага при вариации параметра элементов: только во вложенных циклах программы (Step variables in nested loops) или всех подлежащих изменению параметров одновременно (Step all variables simultaneously). В первом случае существует возможность независимого выбора шага для каждого параметра. Во втором случае необходимо изменять варьируемые параметры с одинаковым шагом, что ограничивает анализ всего одним возможным вариантом. Кнопки в нижнем ряду All On, АП ОПТ включают режим варьирования (Step It) перечисленных на всех закладках в режиме Stepping параметров. Кнопка Default по умолчанию задает изменение варьируемого параметра от половинного до двойного значения от его номинальной величины. Подтверждение выбранного режима анализа и вход в него осуществляется нажатием кнопки ОК. Для варианта значений индуктивности LI, указанного на рис. 8.16, получается семейство (рис. 8.17) кривых (последовательно войдя в режим АС и за-
Run). I
Полученное семейство кривых позволяет выбрать кривую, обладающую наибольшей верхней граничной частотой, при минимальных искажениях
Оцените новое значение flr,rp, сравните с расчетным. Для наилучшей амплитудно-частотной характеристики установите значение индуктивности L1 в схему (рис. 8.1а) и проведите аналогично вариацию резистора R4. Результат ^спечатать.
Результаты домашнего расчета, значения граничных частот, полученных параметров схемы, представленных на рис. 8.1а и для максимально пло-*°й кривой занесите в таблицу 1.
Проведите аналогичное моделирование дтя схемы рис. 8.1о, проведя варь-Рование емкости С9 и резистора R13. Полученные АЧХ распечатать. Резуль-моделирования занесите в таблицу I.
Таблица 1
| Тип коррекции Параметры АЧХ Параметры корректирующих цепей Время уст ty, с Выброс ?> %
Расчетн. R4 = L1 =
Колп. корр. Исходн.вар. R4 = L1 =
Макс.плоск. fl R4 = LI
Эмип. корр. 1 — Исходн.вар. Макс.плоск. R13 = R13 = C9 = C9 =
Переходные характеристики исследуемых каскадов получают при подключении на вход источников импульсного сигнала. Для этого в схемах усилителей (рис. 8.10) удааяют источники гармонического входного сигнал® (аналогично удалению любого компонента схемы) и вводят источники импульсного сигнала. Выполнив команду Component в окне схем на выпадающем меню активизируем строку Pulse Source (рис. 8.18) и нажатием левой кнопки мыши переходим в подменю Pulse Source: Pulse Source (рис. 8.19). fl
Нажатием кнопки New источнику сигнала присваивают имя (или подтверждают название, предложенное ЭВМ): в рамке слева (Name) поочередно предлагаются атрибуты источника (объект, компонент — Part) и предложение присвоить (или выбрать из предлагаемого в правой колонке перечня) емУ (Value — рамка справа) имя VI0 с возможностью отображать его в окне схеМ (помечается галочкой Show рядом с названием). Атрибуты источника сигнал^
uiuuu[/uiHV[/nuj< puuumu JVi о
355
, k Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEM0\DATAWrescor.CIR] CofTK<DPTt
BESEEM
Anabg f¥im tiv
—--;i Analog Library к *•* L M I», АЛ.
Windows Options Araiysis Design htood hep. :
tives
D<gitai Prim tjves Digital Ltrary Animation
Find Component Ctrl+Shift+F
3 Res ester
4 Sine Source
5 Ground
5 Eater v
7 :naxtor
3NPN
9Xtai
0R>P
1 RJ-* *.<»jrce
2
» *
_J l«l »r
Seen Mute iPuKe S:4xce PJse Source z
t ПУСК О Мкхо-Сф в 1 Э Документ Мк... □ ЛАЕР1 • №т
4 - й J о
Рис. 8.18
Рис. 8.19
12*
JJU
(в рамке Name) Model при активизации этой строки в колонке слева, задают, ся выбором стандартного источника из предлагаемого перечня в колону справа. Выбираем источник SP (если вводился ранее), параметры которого высвечиваются под кнопками OK. Cancel и др. Если параметры источника вводятся впервые, то нажатием кнопки New активизируют окна параметру источника сигналов. !
Одновременно в строке Value появляется подсвеченная надпись Ne\» Model, вместо которой необходимо ввести название источника сигналов (на, пример, SP) и затем ввести в текстовом файле Source:Local text area о1 C:\MC8DEMO\D.ATA\Vrescor.CIR параметры источника сигналов: |
VZERO — начальное значение, В; Н
VONE — максимальное значение. В; Н
PI — начало переднего фронта, сек; И
Р2 — начало плоской вершины импульса, с;
РЗ — конец плоской вершины импульса, с; И
Р4 — момент достижения уровня VZERO, с; И
Р5 — период повторения импульса, с.
Параметры источника импульсного сигнала представлены на рис. 8.19
его
«lit
рму для указанных значений можно наблюдать, активизировав строк;
Voltage vs.Timc над столбцом предлагаемых типов источников импульсной
напряжения, и, нажав кнопку Plot. • j
После подключения источников импульсного сигнала к входам усилите' лей схемы приобретают вид (рис. 8.20).
Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEM0\DATAWrescor.CIR] П|Х
Fife Eot Comoonert Wrafc-ws ОрССТБ Analysts Mood HHp
n \ ♦-•-b ~ ~ 3 PG : . 3]
J j г — 4- ?’ * МЛ? Ч % ' '. 3. S. * -
Э«а**паэм*« Э- »оср««1*»я
□ОПП
'|Se*ect Mote Co/rtj area
J
I пуск * . Я
ЛЭД50М • (ЭМсгоСзрЗХ J 10
Рис. 8.20
Лабораторная работа 8
35'/
входа в режим анализа переходных характеристик в режиме главного _ выбираем команду Analysis и на выпадающем подменю строку Transient
Выбрав курсором строку Transient и, нажав левую кнопку мыши, переходим в подменю Transient Analysis Limits (рис, 8.22) к заданию параметров моделирования. Ю о Л » 1
► I
Колгежгоом»* ЭЧ «осре« j-я
von? Help
П31Е P
cs Xu
KO
Itb
""Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\DATAWrescor.CIR]
$«•
\lrfc/
Fins transact inalyss on the a:!** etc A
tOOOCNlA-4
Мои д>\**мты 3 ЯАоР&.ИММ... Э ЛАЕЭДЭДМ)... ОМито-Сар 81...
Рис. 8.21
Co~pcnent A rCChvs ЭрЬсге
Transient Ait*i I:
i AC... Alt*?
I DC. , Alt*?
; Dynamic DC... AIH4
Dynamc AC... AIH5
Serstvit/.. ’ A It *6
Transfer Function... Alt* 7
Distorter... Alt* 8
Prooe Transient. . CVI*Alt*l
Aiabec.’. С«г’*АП42'
j >0Dfe DC... Ct *At*3
P1( ftIO 24b L t 2»
300
R1 3»o
ۥ 20j
«5
ИЗ
1Л1 сз
2 Du
C2-L жТ
R« 510
Hi
510
R1?
nnnn
* пуск
Transient Analysis Limits
£ee»e E<>drd Sieppnfl I Ptopedes Hd;.
10м In
L=
И8) |йй) рйГ
Run Зр;юп$
У^гЬез
P Cpewbs Fori
Г CFori 0r»z-
Г” Auto Scale AarQe*
УЕьргемкю
I XR^vje_______I YR*>ie
|lE-5.02E-6 JO3.-3
jlE-5CJ£-S ’ |0 3 3 ’(ic-5.ci-5 "|аэз
Рис. 8.22
^Mtz^zrr* Г9ЧЛ \X V*- И Л t Л Jj *P
3»л
Кнопки вверху подменю Transient Analysis Limits обозначают:
Run — вход в режим анализа (запуск процесса моделирования); Л Add — добавление строки в перечень результатов, выводимых на экр^ монитора, или в виде распечатки в форме таблицы;
Delete — удаление строки, помеченной курсором, из числа выводимых и экран или в виде распечатки;
Expand — увеличивать объем текстовой информации в месте нахождеяЛ курсора;
Stepping — переходе режим варьирования параметра (компонента, модД ли); ВЯВЙЯИЙВКЖ |
Propertieis — позволяет изменять параметры выводимой на монитор иц формации, принятые по умолчанию;
Help — обращение к описанию системы схемотехнического проектиров» ния МС8. И
Слева под строкой панелей вводятся числовые параметры: И
Time Range — указывается конечное и начальное время расчета переход, ных характеристик (начальное время расчета по умолчанию принимается равным нулю);
Maximum Time Step — величина максимального шага интегрирования. Текущее значение переменного шага интегрирования определяется величиной допустимой относительной ошибки;
Number of Points — количество точек, выводимых в виде таблицы (по* умолчанию принимается равными 51). Изменение количества выводимых точек достигается нажатием на пиктограмму в разделе вывода числовых резули татов (рис. 8.28).
Нажатием на эту кнопку в текстовый выходной файл заносится таблице отсчетов функции, заданной в графе YExpression. Я
В столбце справа под строкой панелей располагаются опции управление результатами расчетов.
Run Options — определяют режимы:
Normal — результаты расчета не сохраняются;
Save — результаты сохраняются в бинарном файле формата: <им« файла>.Т8А;
Retrieve — используются результаты, сохраненные ранее в бинарном файле, для построения графиков и вывода в форме таблиц (без нов(И го расчета);
State Variables — установка начальных значений позволяет:
Zero — выбирать в качестве начальных значений нулевые потенииаЧ в узлах и токи через индуктивности; И
Read — использовать в качестве начальных значения, взятые из бв нарного файла формата <имя схемы>.ТОР, создаваемого перед К80® дым вариантом расчета; Я
Leave — задание в качестве начальных условий результатов прсдыДЛ щего расчета.
Нажатие на кнопку Operation Point обеспечивает выполнение расчета Ч постоянному току перед каждым расчетом переходных процессов.
Лабораторная работа JVs 8
359
В режиме Operating Point Only — производится расчет только по постоянному току-
Щелчок по кнопке Auto Scale Ranges обеспечивает автоматический выбор масштабирования по осям.
Условия, определяющие представление результатов моделирования в частотной области, задаются в нижней части диалогового окна Transient Analysis Limits.
Левее таблиц, определяющих выражения и пределы представляемых кривых на экране монитора, расположены кнопки, задающие изменение переменной по осям X и Y по линейному или логарифмическому закону. Выбор происходит при нажатии на соответствующую кнопку (крайнюю левую или вторую) Нажатием на следующую кнопку’ (Color) на выпадающем меню выбираем цвет выводимой на экран кривой (название кнопки высвечивается при подведении курсора к кнопке).
В колонке Р (Plot Group) указывается номер графического окна, в котором будет построена кривая. Описание пределов изменения выводимых кривых и их характер, указываются в строке. При одновременном представлении нескольких кривых в одной системе координат, масштаб выбирается автоматически по наибольшему значению из выводимых переменных.
В колонке X Expression указывается имя переменной, откладываемой по оси X.
При изучении переходных характеристик это время (Т), при расчете спектра сигнала с помощью преобразования Фурье или при построении амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) — это частота (F),
В колонке Y Expression приводится выражение, откладываемое по оси Y. Это может быть просто напряжение в каком-либо узле, ток через какой-либо элемент или между какими-то ухзами, а так же целое выражение. Щелчком правой мыши на всплывающем меню можно выбрать тип переменной и форму его представления.
В колонке X Range указываются максимальное и минимальное значения переменной X на графике.
В колонке Y Range задается максимальное и минимальное значения переменной Y на графике; если минимальное равно нулю, то его можно не указывать.
Для указанных на рис. 8.22 условий результаты моделирования в виде временных процессов на зажимах источника входного сигнала, и на нагрузках °их типов усилителей с различными корректирующими цепями, представ-
Лсны на рис. 8.23.
Из рисунка видно, что фаза выходного сигнала в обоих случаях изменись на 180°.
т Кроме того появился выброс на переходной характеристике, величину ко-Рого можно оценить, определив значение напряжения в точке минимума и НаМент окончания входного импульса. Аналогично сделайте оценку выброса На выходе усилителя с эмиттерной ВЧ коррекцией, исключив вначале вывод экран монитора переходного процесса на выходе каскада с коллектор-и ВЧ коррекцией, удалив в столбце Р (рис. 8.22) цифру 1, указывающую на
JW
Глава вторая. I/писание лшюритирных рииигп пи izv и riipj
Рис. 8.23
вывод на экран процесса в узле V(8). Для обоих случаев определите время у тановления импульса. t
Повторите эксперимент, установив величины компонентов ус ил и тел < соответствующих случаям максимально плоской АЧХ. Результаты занесите табл. I. J
Анализ свойств усилителей с НЧ коррекцией J
Исследование свойств резисторных каскадов с НЧ коррекцией нсобход! мо начать с установки файла VresLcor, содержащего необходимые принцип! альные схемы или с последовательного ввода элементов принципиально! схемы с корректирующим звеном — развязывающим фильтром, или с цело кой коррекции за счет внешней ООС. * J
Назначение элементов принципиальных схем рис. 8.2 описано ранее. Д проверки идентичности режимов транзисторов по постоянному току послед вательно из окна схем входим: Analysis -> Dynamic DC -> Dynamic О Limits -> OK. При активированной пиктограмме напряжений, на приниипи альных схемах усилителей будут указаны напряжения в узлах (рис 8.24).
Активизировав пиктограмму Currents окна схем получим значения токов ветвях принципиальных схем усилителей. Их значение составляет 1Л = 1.6 41 для каждого транзистора. Равенство режимов работы транзисторов позволЖ судить об эффективности каждого метода коррекции, особенностях использ* вания. ' •»
Анализ частотных свойств усилителя с корректирующей цепочкой в BHJ ИфСф роль которой выполняют компоненты R20 С14, проводится при по* ключении на вход усилителя источника гармонического сигнала SG. параме ры которого описаны на рис. 8.5.
Лабораторная работа .V? 8
361
Рис. 8.24
Анализ проводится в низкочастотной области, что отражено в пределах интегрирования и выводимых на монитор кривых. Описание подменю (рис. 8.25) AC Analysis Limits подробно изложено в комментариях к рис. 8.11.
Характер кривых в узловых точках, для указанных на рис. 8.24а значениях элементов схемы, представлен на рис. 8.26. Используя методику, приведенную в комментариях к рис. 8.14 оцените значение нижнее граничной частоты L„= 121 Гц. Повторите эксперимент для значений разделительной емкости С12 = 10 мкФ и 100 мкФ. Для наиболее плоской кривой, обладающей наименьшей провести оптимизацию значения емкости фильтра (С 14), обеспечивающей минимальную граничную частоту. Полученные результаты прилети в табл. 2.
Рис. 8.25
362
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 8.26
Влияние цепочки внешней обратной связи на АЧХ в
власти НЧ на при-
мере схемы (рис. 8.246) изучается при воздействии гармонического сигнала SG с параметрами, описанными на рис. 8.6. Пределы анализа задаются в соответствие с рис. 8.27.
Амплитудно-частотные характеристики, полученные для компонентов схемы, соответствующей рис. 8.245, представлены на рис. 8.28.
Как видно из рисунка значение нижней граничной частоты значительно уменьшилось по сравнению с предыдущей схемой. Однако при этом уменьшился также и коэффициент усиления. Результаты измерений занесите в таб-ли. 2. Вариацией величиной емкости конденсатора связи С20 получите максимально плоскую АЧХ для значения сопротивления связи R3I = 10 кОм. Результаты моделирования занесите в таблицу 2. II
Таблица 2
’ил корр звена Параметры АЧХ Параметры корректирующих цепей F„»ru Время уст.Т,, сек. Сксл еерш- % I
Развязыв. фильтр Расчетн. Исходи вариант Максим плоек и и и ООО см см см о. о. о. С14 = С14 = С14 =
Общая отри-цат. ОС Исходный вариант Максим, плоек. R31 » R31 = С20 = С20 =
Лабораторная работа № 8
363
Рис. 8.27
Рис. 8.28
Моделирование во временной области проводится по методике, исполь-•^емой ранее при исследовании высокочастотной коррекции.
В схемах рис. 8.24 источники гармонического сигнала заменяются источниками импульсного сигнала SP с параметрами, описанными в подменю Рис. 8.19.
364
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РНрУ
Transient Analysis Limits
10м
5Т7
МШ
р*Г рПТ
Мдхтст TreSteo Nur be’ О Ports
R<r Cpftorw i steVarwttei
17 Ope Ang Port
Г CpeaU»; Port Orty Г aud Scate Pannes
X : Cfftnon
XRaroe рмТ'^”'
|le-5 02e-S [185175
Ret»:e Pure
Рис. 8.29
Рис. 8.30
Выбирая в окне схем команду Analysis и, затем последовательно ТгапЧ ent -> Transient Analysis Limits, указываем пределы анализа и параметры, Bbl| водимые на экран монитора. '
Как указано в подменю Transient Analysis Limits в столбце YExpression Ч экран монитора выводятся переходные характеристики на нагрузке усиЛИ14И
Лабораторная работа JV$ 8
36:
с низкочастотной коррекцией с помощью развязывающих фильтров (узе; Y(8>). и на выходе усилителя (узел (V16)) с корректирующей частотно-зависимой цепочкой внешней обратной связи. Для оценки искажений формы импульса (скол вершины) напряжение в узле V(8) выбираются пределы, позво-тяюшие легко оценить искажения в области больших времен. Значение скол; вершины занесите в таблицу 2. для обоих типов схем, изменив пределы анализа по оси ординат.
Следует отметить, что напряжение в узле V(8) берется с обратным знаком для удобства отсчета.
6 Содержание отчета
6.1. Нель работы.
6.2. Принципиальные схемы исследуемых каскадов.
6.3. Распечатки АЧХ для исходного варианта значений компонентов i обеспечивающих максимально плоскую АЧХ для случая ВЧ коррекции вместе с таблицей 1.
6.4. Распечатку переходной характеристики для параметров схемы, обеспечивающих максимально плоскую АЧХ.
6.5. Распечатки АЧХ для исходного варианта значений компонентов г обеспечивающих максимально плоскую АЧХ для случая НЧ коррекции вместе с таблицей 2.
6.6. Распечатку' переходной характеристики для параметров схемы, обеспечивающих максимально плоскую ?\ЧХ.
6.7. Краткие выводы.
7 Краткие теоретические сведения
7.1 Площадь усиления каскада
Назначение элементов, пути протекания постоянных и переменных токов. существование ООС и ее влияние на свойства резисторных каскадов подробно рассмотрены в лабораторных работах № I и № 7. Соотношения, описывающие свойства резисторных усилителей, определяют элементы схемы, вносящие частотные искажения, и способы их снижения.
Необходимость расширения полосы пропускания усилителей связана с Потребностью усиления широкополосных сигналов, применения цифровых способов передачи и обработки информации. Широкополосные усилители обычно используют резисторные каскады с включением активного элемента нолевого транзистора ПТ, биполярного транзистора БТ) по схеме с общим Эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ), обеспечивающие наибольший коэффициент усиления. Принципы работы и технология изготовления активных ^ментов (АЭ) определяют свойства усилительных каскадов в области верх-частот. Цепи межкаскадной связи вносят частотные искажения в основ-°м в области нижних частот. Поэтому для расширения полосы пропускания Равномерно усиливаемых частот) вводят специальные корректирующие цепи. °Ррекция АЧХ и ФЧХ в области верхних частот (области малых времен для
366
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
импульсных сигналов) осуществляется цепями ВЧ коррекции, а в области нижних частот(области больших времен для импульсных сигналов) — цепями НЧ коррекции. 1
Для эквивалентной схемы резисторного каскада в области верхних частот (рис. 8.31) следует, что искажения на верхней частоте <о„, где коэффициент усиления уменьшается в V2, определяются соотношением Л
м,ч = l/Y„ = J1 + (<%COR. жв)2, (8.1)
где — коэффициент линейных искажений; Y„ — нормированный коэф, фициент передачи каскада.
R04 экв
Рис. 8.31
Для обеспечения требуемой величины линейных искажений при сохранении других технических показателей усилителя в допустимых пределах или получение требуемой полосы пропускания при заданном значении линейных искажений необходимо (8.1) уменьшать R,4wr Уменьшение К„.1Э„ возможно лишь при уменьшении сопротивления эквивалентного генератора (при неизменности параметров транзистора) определяющего сопротивление нагрузи* каскада по переменному току, что снижает коэффициент усиления каскада. Это означает, что увеличения ширины полосы пропускания усилителя при той же величине частотных искажений необходимо снижать коэффициент усиления. При этом площадь усиления
П = ф » const для коэффициента линейных искажений М„, = ния каскада по ЭДС на средней частоте.
При М,,= V2, как следует из (8.1)
(8.2)
2, К’ — коэффициент усиле-
(8.3)
откуда
(8.4)
Для ПТ и электронных ламп, обладающих теоретически бесконечно боЛЬ^ шим входным сопротивлением (входной ток равен нулю) можно считать на* пряжение на входе равным ЭДС источника сигнала. В этом случае сопроП<*Д лением источника сигнала можно пренебречь вследствие его сравнительна малости. Это значит
иг ’ и
где К — коэффициент усиления но напряжению на средней частоте.
(S-5)
= К = SR. = SR
Лабораторная работа Л? 8
367
Тогда (8.2) примет вид
П = Kf„ ф= SR,M = S/2nC0. (8.6)
Соотношение (8.6) показывает, что величина площади усиления при использовании ПТ или электронной лампы в качестве активного элемента (АЭ) надо выбирать усилительный элемент с большей крутизной и меньшей собственной емкостью.
При использовании в качестве АЭ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис. 8.1) коэффициент усиления по ЭДС на рабочей частоте
K' = u_/ur, 1 m ™
где Uид = a U, = Ie( RT + rv + г6э).
В широкополосных усилителях обычно R. = R — сопротивление в цепи коллектора, тогда
К'= h;HR/(R. + г6э + г6). (8.7)
При условии, что М„, = V2, верхняя граничная частота
Г„ф= 1/2кСАмж.- (88)
Эквивалентная емкость транзистора при условии реализации каскадов на одинаковых БТ, работающих в одинаковых режимах
Со « 1/2кГ„1эгв. + C«h2.,R/V (89)
R„ „.= (R + r6.)r6.y(R + rv + r6j). (8.10)
Подставим (8.9), (8.10) в (8.8), тогда площадь усиления с учетом (8.7)
п * K'r-" = TSVTWTr ‘ <8 |1)
Площадь усиления усилителя на БТ зависит от активных и реактивных параметров транзистора, а также от сопротивления нагрузки (в основном сопротивления в коллекторной цепи) и внутреннего сопротивления источника сигналов.
Для многокаскадных усилителей можно считать, что источником сигнала ^•г) является предыдущий каскада с внутренним сопротивлением источника ~ R. Тогда (8.11) примет вид
П = l/((l/f, + 2aCKR)(l + r6./R), (8.12)
гДе f = г h
Оптимальное сопротивление в коллекторной цепи (R) каскада, обсспечи-•°iuee наибольшую площадь усиления, определяется из условия dn/dR = О
Rom-Vre./2KfTCM. (8-13)
Максимально достижимая площадь усиления каскада при R = R„„
Пм„ = Vd + V2«fTC,re.)J.
(8.14)
368
Глава вторая, (/писание .юоораторных работ по (У< и гиру
7.2 Высокочастотная коррекция
Высокочастотная коррекция в зависимости от поставленной задачи:
• может обеспечивать подъем АЧХ, который может использоваться д» компенсации частотных искажений, создаваемых в других каскада? элементах тракта;
• расширение полосы пропускания при неизменном коэффициенте нска.
• увеличение плошали усиления при том же значении коэффициента J нейных искажений; '
• получить более высокое выходное напряжение на том же АЭ и таком м коэффициенте линейных искажений; '
• получить больший сквозной коэффициент усиления на один каскад, f Высокочастотная коррекция может выполняться либо с применением корректирующих цепей в коллекторной цепи, либо с использованием ООС.
Простая индуктивная ВЧ коррекция выполняется включением катушки индуктивности в коллкторную цепь БТ (рис. 8.1о).
Эквивалентная схема выходной цепи усилительного каскада с учетом влияния входной цепи следующего каскада приобретает вид (рис. 8.32), гае С 4 выполняет роль эквивалентной входной емкости следующего каскада
Со С4 Сэкасл С6.эсл + Са cjS,, иН.ы]
(8.15)
R6 = R„ — входное сопротивление следующего каскада.
Рис. 8.32
Индуктивность LI = L. включенная последовательно с R, вместе с конденсатором Су образуют параллельный колебательный контур, шунтированный резистором RH на резонансной частоте контур является активным солро* тивлением R^, = pQa, где р = 7L/C 0 — характеристическое сопротивление. а Q,= p/r, и г отражает «потери» в.контуре, обусловленные R и пересчитанным в контур сопротивлением нагрузки RH.
На резонансной частоте Ro. » г. При достаточно большом значении образующийся контур оказывается высоколобротным, обеспечивая болын^ значение Rn, и большое R. = R, RI„/(RH + Ro<) — эквивалентное сопротивление нагрузки, а значит и большой коэффициент усиления каскада. Подбором величины L и R можно регулировать положение резонансной частоты и добром ность, добиваясь подъема АЧХ в области верхних частот или при максималИ но плоской АЧХ — увеличения fa4rp, т. е. расширять полосу пропускания. I
'MUUVpUHlVpflllSl УХ (J
JVV
ВИ
При условии R„ » R, r„ » R можно пренебречь влиянием Rr и го валентная схем рис. 8.32а примет вид 8.326.
Выходное напряжение
и эк-
, ’1 Иных э SnUu2 э» (8.16)
где Zj " полное сопротивление контура.
z = (R + jtoL) • l/j<oC0 = R(1 + jtoL/R) R + jcoL + 1/)<вСа (j<oCoR -w2LC0 + 1)
На средних частотах пренебрегаем влиянием всех реактивностей в усилительном каскаде
. . " U_cp = SnH1R. (8.18)
Нормированный коэффициент усиления к усилению на средней частоте
* Y(q) = K(co)/Kcp(“) = LLm/L’m1.cp. (8.19)
Подставляя значения U,u, (8.16) U№JCp (8.18) в (8.20) получаем
Y(oj) = (1 + jo>L/R)/(l - <t>2LC0 + jtoC0R). (8.21)
Введя нормированную частоту
X = <oC0R = wt„, (8.22)
где т„ = C0R — постоянная времени нагрузки.
£ учетом (8.22)
Y(w) = (1 + jXL/C0R2)/(l - X2L/CUR2 + jX). (8.23)
Вводя параметр коррекции а = L/CR2= p2/R2 = Q2,, где R — сопротивление потерь в контуре (R„ » R. г„ » R).
Модуль нормированного коэффициента передачи
Y = 7((1 + аХ)2)/(1 + (1 - 2а)Х2 +а2Х4) (8.24)
показывает, что при L = 0 (а ~ 0) АЧХ усилителя соответствует обычному резисторному каскаду без коррекции; при а = а,р = 0,414 получаем наилучшую АЧХ без подъема; а > акр — АЧХ имеет подъем в области верхних частот (рис. 8.33).
Для чаше всего используемой величины коэффициента частотных искажений М = 3 дБ (Y„ = 0,707) выигрыш площади усиления (или fwn)) для а = 0,414 составляет 1,72 раза.
370
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Подъем АЧХ при а > акр объясняется тем. что при увеличении а увеличу, вается сопротивление R. по сравнению сопротивлением R. |
Переходные характеристики в области малых времен обладают: /
• апериодической переходной характеристикой, при а < 0,25; /I
• колебательной переходной характеристикой, при а > 0,25; 11
• оптимальной переходной характеристикой без выброса, при а = 0.25 (рис. 8.42).
Нормирование времени установления импульса на выходе каскада с параллельной коррекцией при отсутствии выброса составляет 1,55, что в 1,42 раза меньше соответствующего времени установления в каскаде без коррекции. Полученные соотношения справедливы при условии, что выходное и входное сопротивления транзисторного каскада велики, что справедливо для усилителей на ПТ и электронных лампах. Использование в качестве АЭ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, обладающего низким входным сопротивлением при значительном разбросе параметров (С6„ Сш, h2t,) делает применение индуктивной коррекции неэффективной. Требуется подборка параметров корректирующего звена при замене транзистора, учитывать ] температурную зависимость параметров транзистора. Индуктивная коррекция не применима при выполнении усилителя по интегральной технологии. I
Эмиттерная ВЧ коррекция с помощью частотно-зависимой ООС широко используется в усилителях на БТ (рис. 8.16). Отличие принципиальной схемы усилительного каскада с коррекцией от традиционной схемы в том, что кроме цепочки температурной стабилизации Rll, С6 -» R,C, (обычное обозначение), вводится цепочка ВЧ коррекции RI3, С9 -> R„, Сж (элементы коррекции). Я
Сопротивление резисторов R13, R11 совместно с R8, R9. создавая ООС I по току, обеспечивают высокую температурную стабильность точки покоя 1 транзистора. Конденсатор большой емкости С6 шунтирует R1I, исключая возникновение ООС в области рабочих частот. Я
Эквивалентная схема каскада (рис. 8.35) где учтено, что сопротивлением источника питания, как и конденсаторов С5, С6, С7 можно пренебречь в об- ! ласти верхних частот, a R — параллельное соединение резисторов R7, R8, R9- 1 Корректирующая цепочка R^C^ вследствие относительно малой величины емкости Сж создает частотно-зависимую ООС по переменному току. Наи- I большая глубина ООС будет в области низких и рабочих частот. Влияние на I АЧХ Сэк будет отсутствовать (ХСэк -> ое) и определять глубину ООС будет RJK-1
Лабораторная работа № 8
371
Рис. 8.35
В области ВЧ сопротивление С„ падает, шунтирует R,., уменьшая ООС по переменному току и усиление каскада возрастает. При дальнейшем росте частоты входного сигнала усиление каскада снижается из-за шунтирующего дей
ствия емкостной составляющей входного сопротивления следующего каскада
(на рис. 8.2 отражено емкостью С8). -•
Очевидно, что выбором параметров цепочки коррекции R1KCM можно варьировать положением максимума АЧХ каскада, создавая условия, при ко
торых АЧХ может остаться плоской, и получить при этом наибольший выиг-
рыш по плошади усиления и fh4lp Наибольший выигрыш fMrp может составлять 1,5—1,7 раза при определенном выборе соотношения между RJKC,K и CoR»,„,- Одновременно это снижает нелинейные искажения, увеличивая стабильность работы каскада, его надежность.
Величина Сэк существенно влияет на форму АЧХ резисторного каскада
(цепочку R,C, можно исключить из схемы, рис. 8.35, если R^ выбирается дос
таточным для обеспечения температурной стабильности режима работы тран-
зистора).
Рис. 8.36
Для Сэ, -> <» АЧХ соответствует усилителю без обратной связи. УменыдЛ ние С.к приводит к уменьшению усиления в области нижних и средних частот за счет ООС по переменному току, возникающей на резисторе R3t При малом значении корректирующей емкости CJK -> 0, это сохраняется во всей области частот (усилитель охвачен ООС). Это приводит к увеличению по сравнению со случаем Сж —» а, при сохранении площади усиления. При промежу. точных значения Сж коэффициент усиления каскада за счет снижения OOQ может достигать значения равного коэффициенту' усиления каскада без ОС. I
7.3 Низкочастотная коррекция
Низкочастотная коррекция используется в усилителях для усиления очень.! низкочастотных сигналов (единицы герц) или импульсов очень большой длительности. Я
Расширения полосы в области нижних частот или переходных характериД стик в области больших времен добиваются применением цепочки развязывающих фильтров (ЯфСф) или ООС. .
Развязывающие фильтры КфСф (R20, С14 рис. 8.2а) применяются для устранения гальванической связи между каскадами через общий источник питания. Ток, протекающий через источник питания, определяется в основном током выходного каскада (в многокаскадном усилителе). Применение источника питания, обладающего конечным внутренним сопротивлением (не идеальный) создает на его зажимах напряжение с частотой сигнала. При отсутеш вии развязывающих фильтров это напряжение, приложенное через делители напряжения ко всем входам каскадов, создает на базо-эмиттерных промежутках первых каскадов, напряжение, соизмеримое с напряжением полезного входного сигнала. Возникающая ОС при некоторых фазовых сдвигах этих сигналов может приводить, при условии выполнения баланса амплитуд, к возбуждению паразитных колебаний. Включение развязывающих фильтров значительно снижает опасность передачи сигнала с выхода мощного каскада на каскады предварительного усиления, т. к. переменная составляющая выходного тока не протекает через источник питания (V10), а закорачивается на «землю» через Сф (С 14). Л
Цепочка развязывающих фильтров может одновременно использоваться и для коррекции АЧХ в области нижних частот. Схема резисторного усилительного каскада реализована по стандартной схеме (рис. 8.2а). Поскольку анализ проводится в области нижних частот, то входная емкость следующего каскада (С 13) может быть исключена. Тогда эквивалентная схема усилительного каскада примет вид (рис. 8.37).
Рис. 8.37
лииораторная раоота № 8
373
С понижением частоты растет сопротивление Сф, а следовательно, резуль-pviomee сопротивление (можно считать R* включен параллельно Сф так как _________..а • « rv гм 1 k 4 1Л — ч —
v лексным 4» Это увеличиваетсопротивление в коллекторной цепи транзисто-радо j
уСИДеНИЯ ЧШ1
увеличивается, а К — R^xo,)*
7 Эквивалентная схема выходной части каскада изображена на рис. 8.37.
При о -»0 . гмлчгг
‘противление источника питания примерно равно нулю) становится ком-
R17 + R20 = R + Иф при со -> 0 (Хеф -» <ю), что увеличивает коэффициент каскада (сопротивление нагрузки каскада по переменному току R
R.= (R + R4)RJ(R+ R* + R„)
Увеличение R. с понижением частоты компенсирует спад АЧХ из-за влияния Ср, С,. Эффективность коррекции тем выше, чем больше b = R/R^, и чем больше вклад R в R_, что происходит при R « r„, R « R„. Поскольку’ R* — входное сопротивление следующего каскада, которое сравнительно невелико у каскадов на БТ, такая схема коррекции наиболее эффективна при использовании в качестве активного элемента ПТ. Увеличение RH приводит к сильной зависимости R_ (коэффициента усиления) от частоты. Пренебрегая влиянием некоторых реактивных компонентов на свойства усилителя (Сэ61 -» ®) и, считая на низкой частоте входное сопротивление следующего каскада чисто активным, АЧХ с цепями коррекции имеет вид (рис. 8.38).
Коэффициент
Штриховой линии, а К ПР Редаяи каскада.
374 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
При достаточно большом значении Сф основное влияние на результиру^ тую АЧХ оказывают Ср, RM, и коэффициент усиления каскада определяется
К = и h2l6RR „ _
R + R~ hll6(R + R„) (8Я
при плавном характере нарастания коэффициента усиления с частого# Уменьшение Сф (Сф -♦ 0) изменяется результирующая АЧХ, приводя к появлению выброса, т. к. усиление в области НЧ будет определяться суммарна сопротивлением в коллекторной цепи (R + R*)
S0(R + R*)R,, I
R + R» + Rn ’
Я /Над Ов’Р’Ж ,ЫН1 /ТГ WHlLrtCJR'lGV' «Л 1ЧЙТ#1ффЬ 1, У J №0 1 ।
что снижает нижнюю граничную частоту (спад АЧХ при и -> 0 обусловлен влиянием Ср).
Граничная частота по уровню 3 дБ при Сф -» х определяется Л
fH4rp= i/2nCp(R + RH). (8.26)
Учитывая, что спад АЧХ происходит с наклоном 20 дБ/окт можно определить значение емкости фильтра Сф для известных R,*, и С, '
Сф = CPRH(R + R*)/RR4 (8.27)
и значение граничной частоты по уровню 3 дБ • Ч
Г„ф = R/2«CP(R + RJ(R + R^). (8.28)
Введение НЧ коррекции позволяет уменьшить емкость разделительных и блокировочных конденсаторов, при сохранении постоянной ГКМф.
Переходный процесс при условии Сф -> « получается как в схеме без коррекции (рис. 8.39).
Рис. 8-39
При Сф -> 0 характер неравномерности вершины импульса сохраняется, * скорость изменения увеличивается. При конечном значении емкости Сф в МО' мент скачка, напряжение на нем сохраняется, что соответствует Сф -> «о. ПО' степенный заряд конденсатора приводит к возрастанию на нем напряжения, • уменьшение тока заряда приближает процесс изменения напряжения на Сф к
Лабораторная работа № 8
375
^стоянию Сф = 0, т. е. кривая при произвольной Сф приближается к кривой С » 0. Рис. 8.39 указывает на возможность снижения неравномерности импульса при заданном Ср. При этом, для заданной величине неравномерности рёршины (Д скол вершины) можно снижать Ср, что позволяет уменьшить размеры и массу конденсатора (важно для ИМС).
Частотно-зависимая ООС. Ввод ООС позволяет увеличить постоянные
времени цепей, определяющих свойства АЧХ и переходных характеристик.
Принципиальная схема (рис. 8.26) обладает двумя цепями связи:
• местная ООС в первом каскада усилителя на транзисторе VT1, создавае-
мая за счет падения напряжения постоянной составляющей (температурная стабилизация) и переменной составляющей (ООС по переменному току). Глубина ООС является постоянной величиной (частотно-независимая) и определяется значением резистора R30; )
• общая (частотно-зависимая), охватывающая оба каскада (С20, R31), осуществляет коррекцию АЧХ в области нижних частот. Емкость связи (С20) выбирается из условия, что при снижении частоты ООС уменьшается и коэффициент усиления каскада будет возрастать, что приведет к компенсации снижения коэффициента усиления каскада, обусловленное влиянием разделительной емкости С15.
8 Список литературы
I. Головин О. В., Кубицкий А. А. Электронные усилители. М.: Радио и связь. 1983. 323 с.
2. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Радио и связь, 1997. 367 с.
3. Усилительные устройства / под ред. Головина О. В. М.: Радио и связь. 1993.
4. Разевиг В. Д. Система схемотехнического проектирования Micro-CAP V М.: СОЛОН, 1997. 273 с.
5. http://WWW.spectrurn-soft.com/demoform.shtm (адрес в Internet для получения студенческой версии ССМ МС).
I
РАЗДЕЛ 2 I
Описание лабораторных работ по РПрУ
Во втором разделе учебного пособия исследуются свойства базовых узлов радиоприемников аналогового сигнала. Изучаются свойства моделей усилителей резонансного типа, преобразователей, детекторов и др. на основе принципиальных схем устройств и применения нелинейных физических моделей активных элементов отечественного производства. Основой моделей различных устройств являются их лабораторные (физические макеты).
Устройства исследуются при уровнях входного воздействия и характеристиках входного воздействия, соответствующих реальным значениям, определяемых их положением в структуре линейного тракта приемника. Гибкосгь системы схемотехнического моделирования МС8 позволяет производить анализ принципиальных схем под воздействием различных факторов (изменения амплитуды, частоты входного воздействия, изменения параметров электронных схем, внешних условий и др.) не ограничиваясь построением частотных и переходных характеристик, а исследовать их влияние на спектр выходного сигнала, величину нелинейных искажений. М
Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ДРОБНОГО ДЕТЕКТОРА
1 Цель работы
Изучение физических принципов построения частотных детекторов, осо
бенностей реализации и технических характеристик дробного детектора; ма
шинное моделирование дробного детектора на основе принципиальной схемы, изучение технических особенностей настройки и эксплуатации и опреде
ление его основных технических характеристик с использованием системы схемотехнического проектирования Micro Сар 8 (МС).
2 Задание
2.1 Расчетная часть
Используя сведения о величине элементов принципиальной схемы (рис. 5.1). параметров применяемого транзистора и диодов (приведенных в приложении), рассчитать:
• параметры колебательной системы частотного детектора (ЧД);
• величину индуктивности катушки связи.
2.2 Экспериментальная часть
Для компьютерной модели дробного детектора, содержащего также око-нечный каскад усилителя промежуточной частоты получить:
2.2.1. Амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) оконечного каскада Усилителя, настроенного на промежуточную частоту, при отсутствии влияния ПОследуюшей схемы.
в 2.2.2. Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики (ФЧХ) на Годных зажимах фазосдвигающего трансформатора (ФСТ) при точной на-Тр° й ке контуров.
л 2.2.3. Амплитудно-частотные характеристики нагруженного каскада уси-н Теля промежуточной частоты (УПЧ) для случаев расстроенного и настросн-0 контура ЧД, оценить полосу пропускания каскада для обоих случаев.
На 2.2.4. Форму напряжения на коллекторе транзистора каскада УПЧ и на Св Р^3ке Детектора при воздействии на входе частотно-модулированного (ЧМ) Чала. Оценить величину нелинейных искажений.
378 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и Г Ир У
2.2.5. Зависимость амплитуды выходного напряжения и коэффициента гармоник от величины коэффициента связи согласующей индуктивности ц катушки контура каскада УПЧ.
2.2.6. Характеристику подавления амплитудной модуляции. I
2.2.7. Зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды вход, ного сигнала.
3 Описание принципиальной схемы частотного детектора
Дробный детектор, часто называемый детектором отношений, реализует
принцип преобразования изменения частоты входного сигнала в изменение фазовых сдвигов напряжений на выходе ФСТ, создающих различные по ам
плитуде напряжения, приложенные к диодам. Различие значений приложен
ных напряжений создает на нагрузке каждого из диодных амплитудных детекторов различные по величине напряжения низкой частоты, определяющие ре
зультирующее напряжение.
Принципиальная схема ЧД (рис. 5.1) содержит усилительный каскад, нагрузкой которого является линейная цепь, состоящая из двух индуктивно связанных контуров первичного L1C1 и вторичного (L2+ L3)C10, настроенных на среднюю частоту сигнала 10,7 МГц, и катушка связи L4. В качестве актив-
Рис. S.1
Лабораторная работа № 5
379
нОГо элемента усилителя используется транзистор 2Т 363В с проводимостью п-п-Р типа, включенный по схеме с общим эмиттером.
Резистор R1 выполняет роль внутреннего сопротивления источника сигнала и в реальных схемах отражает свойства предыдущего каскада. Конденсатор С1 является разделительным и исключает взаимное влияние режимов по постоянному току предыдущего каскада, представленного в виде источника ЭДС, и, реализованного на транзисторе Q1.
Делитель R2, R3 напряжения источника питания VI задает режим работы транзистора и обеспечивает параметрическую стабилизацию положения рабочей точки транзистора на семействе входных динамических характеристик. Повышение стабильности режима работы транзистора и параметров усилителя достигается введением отрицательной обратной связи по постоянному току, создаваемой за счет включения в эмиттерную цепь резистора R5. Шунтирование его конденсатором С8 исключает возникновение отрицательной обратной связи по переменному току и, при высокой стабильности режима работы транзистора и параметров усилителя, обеспечивает на рабочей частоте коэффициент усиления равный коэффициенту усиления каскада без обратной связи.
Резистор R4 в коллекторной, a R5 в эмиттерной цепи обеспечивают выбранный режим работы транзистора по постоянному току: R4 — в основном напряжение коллектор—эмиттер a R5 — постоянный ток коллектора ls0.
Источником питания служит батарея VI с напряжением 6 В.
Колебательный контур L1C1, включенный в коллекторную цепь, шунтирован резистором R6, вторичный (L2 + L3)CIO резистором R18, отражающим потери в реактивных элементах контура. Катушка связи L4, подключенная к
средней точке катушки индуктивности вторичного контура, индуктивно связана с катушкой L1 первичного контура.
Диоды DI и D2 включены последовательно и вместе с элементами вторичного колебательного контура и катушкой связи образуют два диодных амплитудных детектора. Низкочастотные фильтры включают СЗ и R8.RI0 для Детектора на диоде D1 и С4 вместе с резисторами R9,R16 для второго диодного детектора. Емкость С6 служит для устранения влияния паразитной амплитудной модуляции входного сигнала на процесс детектирования ЧМ сигнала. Нагрузкой детектора ЧМ сигнала является резистор R19, моделирующий входное сопротивление каскада усилителя низкой частоты (УНЧ). На входе УНЧ включен П-образный фильтр С5, R14, С13 и разделительный конденсатор CI6.
На вход исследуемой схемы подключается источник гармонического сиг-ала V2 или частотно-модулированного колебания V3.
4 Методические указания по выполнению работы
4.1 Расчетная часть
Расчет параметров колебательной системы проводится с использованием Сводных данных, приведенных в приложении для частоты несущего сигнала " ^0,7 МГц и частоты модуляции I5 кГц.
380
Глава вторая. Описание лабораторных раоот по ос и Г Ир У
4.2 Машинное моделирование
Исследование свойств дробного частотного детектора проводится на основе его принципиальной схемы широко используемой в реальных приемных устройствах с применением системы схемотехнического моделирования Micro Сар 8 (МС 8). Элементы электрической принципиальной схемы описываются с помощью встроенных математических моделей компонентов, которые не могут быть изменены пользователями и можно изменять лишь значения цх
параметров.
Предполагается, что: I И
• студенты знакомы с основами операционной системы WINDOW’S ЭД
или более поздними версиями; -Л
• имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии по указанному в п 8
описания адресу получить инсталляционные файлы демонстрационной (студенческой) версии программы mc8demo.exe или приобрести эту программу на CR дисках. г
Демонстрационная версия содержится в ZIP-файле (ее можно раскрыть
программой PKUNZIP). Запуск программы осуществляется программой
SETUP EXE. После завершения установки формируется папка Micro Сар8
Working Demo для быстрого запуска МС8. В подкаталог MC8demo\data заносятся файлы схем, имеющие расширение .CIR, и библиотеки математических моделей компонентов в файлах с расширением .LBR. “
После установки и запуска программы mc8dcmo.exe в верхней части экрана монитора появляется окно главного меню с панелью команд (рис. 5.2). ч
Pwc. 5.Z
^лыиориторнсш раоота JV? 5
381
Меню главного окна представлено второй строчкой сверху. Оно состоит иэ команд-
File, Edit, Components, Windows, Options. Analysis, Help. Верхняя строчка равного окна укажет присвоенное ЭВМ или, выбранное Вами, имя вводимой схемы в подкаталоге \DATA с расширением.CIR, которое используется для описания схемы во внутреннем формате МС8 (вначале ЭВМ присваивает формируемой схеме имя CIRCUIT с некоторым порядковым номером, которое при выходе из программы можно заменить на любое другое).
Применяемые в принципиальной схеме наиболее часто встречающиеся компоненты (конденсаторы, резисторы) выбираются курсором (рис. 5.2), активируются левой кнопкой (например, резистор) мыши и затем помещаются в выбранном месте главного окна при повторном нажатии на левую кнопку. Удерживая нажатой левую кнопку можно вращать компонент, щелкая правой. При отпускании левой кнопки местоположение компонента фиксируется и на ниспадающем меню Resistor предлагается присвоить ему позиционное обозначение (PART), указать его величину (VALUE), а так же другие, не используемые при выполнении лабораторной работы, параметры. Присвоенные значения могут изображаться вместе с компонентом в главном окне, если подсвеченный параметр помечен галочкой Show (рис. 5.3). При вводе значения параметров допускается использование масштабных коэффициентов:
Знамение 6 10 3 10 7 -3 10 10 10 -12 10 -15 10
Префикс MEG К м и N р F
Степ форма 10Е+6 10Е*3 10Е-3 106-6 106-9 106-12 10Е-15
Ж
!ЛОвй втором. ОПИ1МП9К AUUuj/UtriupnotA. ptawrn no Vx, « « «
Масштабный коэффициент может содержать и другие дополнительна символы, которые программа игнорирует. То есть величина емкости в 5пф! может быть введена: 5 PF или 5 Р, или 5E-I2. Ж
Подтверждением окончания ввода любого компонента является нажатие, кнопки ОК. Если неверно введены какие-либо сведения, то нажатие кнопку Cancel отменяет всю введенную информацию о компоненте.
Альтернативным вариантом ввода параметров компонентов является ис. пользование меток (labels), когда на принципиальной схеме какому-либо ре. зистору задается в качестве параметра не значение его сопротивления, (на-! пример 50 Ом), а вводится метка (например, R2) и затем с помощью тексто., вой директивы.DEFINE задастся значение этого сопротивления в виде
.DEFINE R2 50
Эта директива вводится в текстовом режиме меню инструментов. W В рамке Display (рис. 5.3) выключателями задаются условия отображения; в окне схем компонента: с помеченными выводами (Pin Markers), названиями выводов(Р|п Names) или пронумерованными выводами (Pin Numbers). Мы ограничимся лишь выводом на экран токов (Currents), значением мощности (Powers) и условий эксперимента (Conditions).
Поочередно активизируя в левом высвеченном окне строку Part, позиционное обозначение компонента, Value — величина вводимого резистора подтверждаете предложенный вариант, переходя на следующую строку, или вводите новое значение соответствующего параметра. Строки FREQ — определяющую частотную зависимость сопротивления резистора. MODEL — тип применяемого резистора, его стоимость — COST, и рассеиваемую на нем мощность — POWER можно не заполнять, поскольку’ в лабораторной работе не исследуется влияние частотной или температурной зависимости параметров резистора не свойства каскада. Не проводится также и конструктивная разработка макета частотного детектора, когда является важным параметрам тепловые характеристики компонентов и их стоимость. V
Активные кнопки внизу ниспадающего меню Resistor позволяют при их нажатии:
QK — подтвердить правильность введенной информации и продолжит»1 выполнение задачи: И
£ancel — отказаться от введенной на этом подменю информации; И Font — изменить шрифт и стиль выбранного атрибута;
Add — добавить атрибуты к описанию компонента; V
Ие1р — файл помощи;
Syntax — показывает описания простейших компонентов в формате Spice;
Expand — вызывать файл данных и в выбранном курсором текстовом ПОЛЯ проводить редактирование или вводить большой объем текстовой информации;
Help Ваг — переключает дисплей в режим Help. Дает краткое описанИЧ ключам окна схем и описывает возможности управления курсором. 1
При необходимости коррекции отдельных элементов принципиальной схемы необходимо сначала его удалить. Для этого вначале активизируют Рг' жим редактирования элементов и компонентов схемы (Select Mode, рис. 5.2Я
лашраторная paooma .'Vp j
Затем, подведя курсор к компоненту, нажать левую кнопку мыши. При этом одСвечивастся, обычно зеленым светом, компонент или соотвстсвующий текст в окне схем и затем, войдя в меню EDIT, на выпадающем подменю выбирают CUT (рис. 5.4) и удаляют необходимый атрибут схемы. Альтернативным вариантом при удалении компонентов является применение пиктограммы CUT (или Ctri-X) на панели инструментов (ножнииы) в окне схем, которая активизируется только при нажатии кнопки Select Mode (рис. 5.2).
Рис. 5.4
Аналогично вводятся конденсаторы. На панели инструментов главного окна активизируется пиктограмма конденсатора н на выпадающем меню к-apacitor: Capacitor задаются параметры конденсатора.
Соединительные линии между компонентами «прочерчивают» выбрав на ^нели инструментов главного окна пиктограмму линии (рис. 5.2). Установить курсор в начале будущей линии и нажать левую кнопку мыши. Удсржи-я кнопку в нажатом положении, проводят линию до вывода очередного °мпонента или местом соединения с другой линией.
Катушки индуктивности первичного (L1), вторичного (L2, L3) контуров и тушки связи (L4) ФСТ вводятся нажатием на левую кнопку мыши при по-СЩеНии курсора на пиктограмму индуктивности панели инструментов меню Явного окна (рис. 5.2). На выпадающем подменю (рис. 5.5) Inductor Inductor кивают параметры катушек индуктивности. Перечень параметров и их
384
Глава вторая. Описание лабораторных раОот по L/C и гпрх
описание аналогичны использовавшимся ранее в подменю Resistor:Resistor при вводе резисторов. По окончании ввода параметров (нажатие на кнопку ОК) в главном окне схем появляется графический символ катушки индуктивности с указанием начала (+) и конца (-) намотки. Вращением с помощь^ правой кнопки мыши устанавливают катушку индуктивности в нужном положении.
Рис. 5.5
Существование магнитной связи между катушками ФСТ отображается применением модели трансформатора. Исследование свойств ЧД проводится с использованием модели трансформатора без сердечника. Для установки трансформатора в принципиальную схему используют команду Component главного меню программы с последующим выбором на выдвигающихся впр8' во подменю последовательно: Analog Primitives -> Passive Components -> ** (рис. 5.6).
Нажатием на левую кнопку мыши подтверждается выбор трансформатор3 К: Mutual inductance/Nonlinear magnetics core model (взаимоиндукция/модеЛ® нелинейного магнитного сердечника). Появляющееся обозначение трансфер" матора. выполняющее роль курсора, может быть установлено в любом меСЯ окна схем повторным нажатием левой кнопки мыши с сохранением функШЧ трансформатора (целесообразно размещать символ трансформатора вбдиэ реально организованной связи). На выпадающем меню (рис. 5.7), обладЯЧ
jiuvupuinupiiuH paovnia j
Рис. 5.6
тем описанием аналогичным описанию вводимых резисторов. конденсаторов в левой колонке содержатся: перечень индуктивностей (LI.L4), обладающих индуктивной связью (INDUCTORS) и величина связи (COUPLING). Значение коэффициента связи (COUPLING) для катушек L1 и L2, а так же LI и L3 задается равной 0,05, а для LI и L4 — 0,99 Строка MODEL не заполняется (модель ЧД предполагает использование воздушного трансформатора). Применение сердечника требует ввода его параметров (геометрических размеров, материала и др.) или выбора из, предлагаемого в правой колонке, списка типовых конструкций трансформаторов.
При вводе транзистора типа PNP, которого нет в списке основных компонентов окна схем, необходимо сначала выполнить команду Components в **еню главного окна и на дополнительном меню, разворачивающемся вправо. д_~Рать Analog Primitives, а из предлагаемого перечня устройств выбрать lve Devices, а затем, на закладке активных компонентов, PNP (рис. 5.8).
В дальнейшем, при повторном вводе транзистора такого типа, выполняе-команда Components уже содержит данный тип транзистора на выпадаю-меню и достаточно лишь активизировать в нем соответствующую строку.
р», Qph нажатии на левую кнопку мыши на ниспадающем меню (рис. 5.9) До rransislOr вы^иРается позиционное обозначение (PART), начинающееся а^Умолчанию с буквы Q, затем его характеристика VALUE, определяющая Ивцый режим, и официальное название транзистора MODEL. Активизаци-
Ор*СМ «Мя* jev1 **** -w
——1 Ana^kto*) T Й С£^Ш»-М^М
₽rd 5оп*(УЖ« CV»*9*4bF
6<
Г5
51
Sew.Moo*
ACtWD>*<««
Одь*1Ьж> Лпг^х».
ВСЮ*
9 Ьадхт 0₽^
i<zap«M ;₽«»•«» Э Sn« 5ся*с»
4 jratnC
<т
Г|х«гъ><о9 0 «с
»1С
»f*art г»
Рис. 5.7
Шсго-Свр 8.0.9X) Evaluation Version - [C:WC8DEA№»ATAWdetFAA.CIR]
ЯЯвжЧ
Wa^r»’ Ямса» f retort SOh/CM 1<*C9S<XSC«4 2 Trjr^tre» So#ca*
Sam
•«•ras 5aas Comectrt
МО5 РМХ
C*MCS CMCS ЧЛТ »ят
М<? м
т
=L€UA
/ яуск
Рис. 5Л
Лабораторная работа .V? 5
397
й строки в правой колонке меню можно выбрать тип транзистора из предложенного перечня.
Поскольку в библиотеке МС8. представленных в колонке справа, нет отечественных транзисторов, то необходимо ввести параметры модели транзистора 2Т363В. Дтя этого, после ввода позиционного обозначения транзистора PART), характеристики, определяющей активный режим (VALLE, можно не вводить), выбирается строка MODEL (рис. 5.9) и нажатием на кнопку NEW задаете переход в режим ввода параметров новой модели транзистора.
Рис. 5.9
В строке MODEL появляется надпись New Model 1. что дублируется подученной строкой в верхнем окне Value. Находящийся там курсор позволяет ввести название нового типа транзистора. Введя тип транзистора (2Т363В) за-ТеМ приступаете к редакции параметров модели транзистора Гумеля — Пуна, Представленных таблице параметров IS, BF, NF и т. д. Для этого кусор левой Кнопкой мыши помещаете в одном из окон массива: 13’
J О <5
1 Лини 0/74 Ш/МЛ. y.'WU!7Oi ГВ1Л и а > e^z«z
Source:Local text area of C:\DATA\VdetFM.CIR,где VdctFM — имя файд использующегося для ввода принципиальной схемы смесителя и последующ анализа (имя задастся пользователем).Содсржашисся в каждом окне числом го массива значения удаляются «стрелкой» вверху клавиатуры и затем вводя ся из описания модели транзистора VAF = 95.7, IKF = 0.195, ISE= 1.834P, lKR=0.3. ISC = IP. NC = 2, RB = 67.5, MJE = 0.35, CJC = 2.958P, VJC = 0.69, XTF = 2, VTF=10, ITF = 0.12, TR = 6.149n, EG =1.11, XTB=1.5, XTI = (рис. 5.10). Смысл обозначений и способы определения указанных парамет ров можно выяснить в [2].
2T 363B: IS = 11.8F. BF=156
NE= 1.971
RC= 1.6. CJE= 1.112P. VJE = 0;
MJC = 0.33, FC = 0.5, TF = 4I.32P
BR=1.18, VAR = 65
~3
iX
О Micro-Cap 8.0.9.0 Evaluation Version - (C:\MC8Db p^p pNP Transistor
| *- if: Jon pywnt W/rdcM* Cpto'i
о c#h e aaR • x ъ f> x «
r-Na^?
' imooel
, £>'Ц*чг—;-----------------.---
Г РеМм-еяГ PnNares Г ЯпМопЬеи P Cun-nt p Ром» P Lcnicr. Ceto
|P*RI«U2 fvqjjE-
>7p
»6f|A7p
icodj C2
'°-'®—
•' Ui 65а \ to L2
PACCAGE-
COST-FO'a'ER.
к?
to 13
OK | Oree | ronl . | M: | !•
! Heb
New
$уг*л> | Ptot | E<«nl. J HsfcB»
15n Cl
Ф
Г R4
22k .Г
вэ «к
RS 1е® ’’Т’ЭА
КЗ •: to L* иП---------
15|П 3F
VA# |* 7
var|b
msJT"
REkfi
ОС (I=59o
ХЕХ Ji
BFpS&Z IKFj 3SM ЭЯрЗя ikrJmcm
NT. I5ttn RE fo RBp VJE hOM vjcjcmM □sJiF”
11 Г VZ V«
. 25Л370
У 2SB1009
i 2SB73’
I
4F 11
ise г емс HR Г
ISC row
iss |5
=B|6TS
-.C|1S
HJE
Mjcjsm
VJSi’SOm
ПГ
\м<1ПдТ»4л Mocds\lnfc/
:r-.pzre'.t r/erfe
CK
Э гйе₽х - Mc-psctt. У ЛА6Р15 - О мкл><« e.a9D...
Г She-. ^«^3
M
MX Д>7»*&-"Ы
I к
Рис. 5.10
Сведения о параметрах модели транзистора также можно ввести исполв зуя режим описания моделей. Дтя этого необходимо войти в режим Models ла главного окна, щелкнув левой кнопкой мыши по надписи Models внизу глам ного окна (рис. 5.2), активизируя режим описания моделей используемых аИ тивных устройств (Active Devices).Содержание текстового файла (рис. 5.9JB параметрами транзистора 2Т 363В совпадает со сведениями представленным*1’ в таблице (рис. 5.11).
Отсутствующие некоторые параметры в текстовом файле по сравнению Ч рис. 5.9 принимаются по умолчанию и могут нс вводиться.
Лабораторная раоота № 5
389
raD 8 0.9.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEM0\DATAWdetFM.CIR]
С Mirro-^pH ц И. 4 w -I. ,И!?ГТГТШН—
... —-лпрслвг.- wndows Cotone A-al^ss Ktade!
3ci b** — -----7 -------------•----—--------
® у у [J. | r-> в X M j
П I .. 1^. “
в X
3 PG
Зб3в (23=11. ер ВР=156.2 VAF=95.7 1КР=1Э5М 138=1.8Э4р VE=1.9?1
VaR-6 5 IKR=3DCK ХЭС=12СОР Р.В-67.5 RBW=1 IRB=1 RC=1.6 CJE=l.J_z2p
* mJE=35OM CJC=2.958p V_-C=690M CC3=1F №JS=5OOM TP=41.32P XTF=2 VTF=10
Г ££-2:и тж-б-Ч’»
* ^Г‘кГ>104А D (IS=5.812e-lZ H=1.15)
шли t> <13=5. BIZ e-12 W=1.15 BV=4Q0 IB’Z=le-ll RS-8.1 TT=6.ZBe-9
MG^s4- 2f M=0-33)
* PC 2I« (F=10.-’ME5 A=50e-3)
annci
Stade Те>1 рэде for nites and action statements suzh as DEFINE MCDEL an: SUECKT
|л 1 CJ 1 z
\Маг X~e4/Modti$/'~nfj7
I fiyCK ® Мсм дж^ы У №E₽5 - Mcrosclt..
ЛАЬ*15 • Метла. £ р WiTO-Cac 8 Д9.0_
Рис. 5.11
Включение диода в принципиальную схему ЧД начинается с Выборг! на строке основных компонентов окна схем условного обозначения диода и нажатием на левую кнопку мыши. Появившийся символ диода устанавливаем в нужном месте принципиальной схемы и, нажав на левую кнопку мыши, на выпадающем меню DiodeiDiode вводим параметры модели диода (рис. 5.12). Поскольку в библиотеке МС8, представленных в колонке справа, нет отечественных элементов, нажатием на кнопку New. при подсвеченной строке Model, активизируем режим редактирования параметров. Появление в окне ^alue надписи New Model 1 (как и в строке MODEL) позволяет ввести тип ^ода Д104А, а помещение курсора в окна параметров диола — заменить, приведенные в окне, на требуемые (используя упрощенную модель диода LEVEL 1): IS = 5.812Е-12, N = 1.15, RS = 9.1, CJ0 = 41.2P, TT=8.28E-9, M-0.33, VJ = 0.71, FC = 0.5, BV = 300, IBV= IE-11, EG = Lil, XTI = 3. Остальные параметры диода принимаются по умолчанию. Описание диода саьо-^пностью параметров позволяет, используя возможности МС8, получить ^льт-амперную характеристик}' (ВАХ) диода (прямую и обратную ветвь). Для получения, например, прямой ветви необходимо нажать кнопку расширения &Кна на строке над библиотекой диодов и выбрать If vs. Vf (ток прямой ветви зависимости от прямого напряжения). Аналогично можно получить обрат-Ую ветвь диода, выбрав Ir vs. Vr, и затем, нажав кнопку Plot под левым ок-подменю Diode:Diode.
Завершив ввод активных и пассивных компонентов принципиальной схс-ПЬ1’ Проверьте их на соответствие со схемой на рис. 5.1. При необходимости РОйеДите коррекцию элементов схемы.
390 Глава вторая. Описание лаоораторных работ по ОС и РПрУ 1
Рис. 5.12 'V
Для получения частотных характеристик настроенного или расстроенного каскада УПЧ необходимо включить на его вход генератор гармонических колебаний. г
Тип генератора можно выбрать, используя строку основных компонентов в главном окне, и затем выбрать из большого числа моделей генераторов с различной формой сигнала, с модуляцией или без модуляции и т. д. Поскольку можно ограничиться моделью генератора гармонических колебаний без какой-либо модуляции то, выбрав команду' Component меню главного окна последовательно выбрать на выдвигающихся вправо подменю: Analog Primitives -> Waveform Sources -> Sine Source (рис. 5.13). Появляющееся изображение моде-, ли генератора и подменю параметров Sine Source: Sine Source позволяет задать его параметры (рис. 5.14).
Подменю Sine Source построено по традиционной форме, использовавшейся ранее при вводе резисторов, конденсаторов и др., поэтому назначение кнопок, пиктограмм и вводимых параметров известно. 1
Параметры генератора (частота, амплитуда и др.) отличны от предлагаем мых в библиотеке МС8 поэтому ввод начинают с выбора названия компонен-
Лабораторная работа № 5
391
^cfO-Cap 8.0.9.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEM0\DATA\VdetFM.CIR]
ЛлэГ»дРгегЛ»е5
Wruowi Ср’ХГЙ A'«J*SS Cesiyi Mooel HSp
|[ChX|
Passes Ccmpcrents $ F □ '
ХОЛ D8VC9S
D«gu Prmiuves
-----DgU L Crary
Anrnatcn
Wav=frr hi
Frd Cor-ponent CtrWShft+F
2Rese®r
3 Sne Score
4 Ground
5 voyage Source 6K
7 Bakery
8 Diode 9mouccr
0PM5
Rnctton Scores
Lapses Scores Z Transform Soirees Dependent Soirees Macros
Sucats Comecxrs =MPS
QdTETf
vohage Soiree
Cirrent Soiree
Sne Багсе
=uee Barce
ISo-rce
Jbir Scirze
F вес Ana 05
Staircase
3 Ft -ase T--iangte tiTC?
Mtx
Compcnent Mo:e
Sne Scarce Sine Soiree
пуск
ПМклгСфваМ... Q r^bF? Mcrcsort.. э nA^s-Mcrcsoft..
______a.poj^^rt i a’i, is г - v *. м;э.чn «o-fli<a ал®
Ek Я 10:«9
1
S X
Рис. 5.13
та (PART предлагается V4), а в строке MODEL указать на ввод новой модели генератора, нажав кнопку New под левым окном. Ведя затем название генератора (например, FC) в окне Value установить последовательно курсор в окнах параметров генератора ввести требуемые параметры, организовав файл данных источника сигнала: Source Local text area of C:\MC8\DATA\VdetFM.CIR (рис. 5.14). В качестве параметров генератора задаются (рис. 5.15):
F — частота несущего колебания — 10,7 МГц;
А — амплитуда несущего колебания — 50 мВ;
DC — значение постоянной составляющей сигнала — О В;
РН — начальная фаза несущего колебания — 0 рад;
RS — внутреннее сопротивление генератора — 10е-3 Ом; ’
RP — период повторения (для сигнала, имеющего форму отрезка синусоиды) — 0 с;
TAU — постоянная времени затухания огибающей сигнала (при экспо-Ненциальной форме затухания амплитуды сигнала) — 0 с.
После ввода параметров генератора FC можно наблюдать на экране монитора форму сигнала, действующего на входе усилителя (рис. 5.16), нажав на *н°пку расширения окна над библиотекой моделей генераторов, и выбрав oltage vs. Time и кнопку Plot.
392
Liana tiтиран, описание лщюраторных раоат по с/с и гару
Г Pr-.**' Г РгНиЫ»! Р Р Р»*И Р С<х4чш Со*
ОМкго-Сар В.0.9.0 Evaluation Vmton • (CiWODEi Sine Source:SUw Source
f|7meg
RSfuT
□ VicrX^p ao.9 a.
'/ пуск
*Vwl =
S-ж»:, .cr. ~ ж* JC'MOCtMC-WA'.VJerW ОЯ
DC Г
U1 < llllh* >«пГеЧл*^А&й/
Conuoriert Moce
13Micro-Cap 8,0.9Л Evaluation Venkxi • [C VMC8DEJ Source:5ine Source
ГЦ*514
3nd55.M i
л*/7 -
Рис. 5.15
Рис. 5.16
Подключение батареи источника питания завершает ввод принципиальной схемы ЧД. ' ’ .иди
Выбрав нажатием на левую кнопку мыши пиктограмму батареи панели инструментов (рис. 5.2) переходят на выпадающем меню в режим задания параметров батареи (рис. 5.17). 'v'' ‘‘
Выбрав позиционное обозначение батареи на принципиальной схеме ’•(PART) и величину создаваемого напряжения 6В (VALUE 6\г), нажатием на кнопку ОК подтверждают правильность ввода параметров (PACKAGE, COST, U”'ER не вводятся). Появившееся изображение батареи устанавливают в пРинциппальную схему с учетом типа проводимости транзистора.
Общая электрическая шина («земля») обеспечивает протекание токов в ”сгтя* с разным количеством выводов (двухполюсники, трехполюсники, четы-^Полюсники) и различным функциональным назначением. «Земля» вводит-Установкой курсора на ее условное обозначение на панели инструментов _ явного окна и нажатием на левую кнопку мыши. Устанавливая курсор в Лс символа «земля» в нужном месте схемы, повторным нажатием на левую °пку мыши фиксируют его положение.
и После завершения ввода элементов принципиальной схемы она должна зц'"<1Ь В11Л' изображенный на рис. 5.1 (размещение условно графического обо-1Чения трансформаторов К может быть произвольным). Проверьте соответ-, значения величин введенных вами элементов рис. 5.1 и при необходи-111 проведите коррекцию
394
Глава вторая. Описание лабораторных работ по UC и гирл
Рис. 5.17
Для выполнения п. 2.2.1 необходимо исключить влияние выходного контура детектора. Для этого его расстраивают шунтируя конденсатором большой емкости (С 15 = 250 пФ). В этом случае принципиальная схема ЧД (рис. 5.1) приобретает вид (рис. 5.18).
Проведение анализа частотных свойств УПЧ предваряет нумерация узлов принципиальной схемы нажатием на пиктограмму Node Numbers (может отличаться от указанной на рис. 5.1). Вход в режим анализа происходит при активизации левой кнопкой мыши команды Analysis меню главного окна.
На выпадающей закладке выбирается режим анализа частотных характеристик АС. Нажатим левой кнопкой мыши при подсвеченной строке АС переходим к заданию условий анализа на выпадающем подменю AC Analysis Limits.
Нажатием левой кнопки мыши переходят к заданию пределов аналиМ; способа проведения анализа и представления на экране монитора результатов
анализа.
В окне AC Analysis Limits (рис. 5.19) задается следующая информация: Л Frequency Range — значения верхнего и нижнего пределов частот анализе» Number of Points — количество точек разбиения интервала исследуем*1' частот на подинтервалы с равномерным разделением (Linear, в строк* Frequency Range), логарифмическим (Log) или автоматическим (Auto), в которых производится расчет частотных характеристик и, полученные значенИ* выводятся в форме таблицы (если это указывается). Выбор автоматического режима может приводить к существенным неточностям в расчете;
Temperature — диапазон изменения температур (может задаваться оД1*0 значение, при которой проводится анализ);
Maximum Change — максимально допустимое приращение функции интервале шага по частоте (учитывается только при автоматическом выбор* шага — активизация процедуры Auto Scale Ranges);
лииоритирная раоота л? 5
395
Рис. 5.18
Рис. 5.19
Noise Input — имя источника uivMa, подключенного ко входу второго каскада;
Noise Output — номер(а) выходных зажимов, где вычисляется спектраль-ая плотность напряжения шума;
Kun Options — определяет способ хранения полученных результатов:
Normal — результаты расчетов не сохраняются;
Save — результаты сохраняются на жестком диске;
Retrieve — использование результатов расчета, хранящегося на жестком Ке» для вывода на экран монитора;
State Variables — задание начальных условий интегрирования.
396 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ос и гору
На экран монитора, в соответствие с рис. 5.19, выводится график коэд! фициента усиления (YExpression) в зависимости от частоты (XExpression) fl узле 7 и разность напряжений в узлах 8 и 10 с пределами значений для каждое из них, определяемой форматом: максимальное значение выводимой nepju менной, се минимальное значение и шаг сетки значений соответствующей оси (частота, коэффициент передачи). Характер изменения значений riQ осям — линейный, что выбирается нажатием двух левых крайних кнопок J строке выводимых значений. Для значений компонентов, указанных |Л рис. 5.18, производится расчет АЧХ каскада УПЧ практически без влияние детектора (первичный и вторичный контур сильно расстроены), нажатиеч кнопки Run. Результаты вычислений представлены на рис. 5. 20. Как видно щ рисунка, резонансная частота отлична от 10,7 МГц (точное значение макси! мума АЧХ находится следующим образом: нажимается кнопка Peak,курсор располагается вблизи вершины АЧХ и еше раз нажимается кнопка Peak),, Влияние контура детектора сказывается появлением выброса на АЧХ первичного контура. Разностное напряжение в узлах 8 и 10 (V(8,10)) определяет ре-зонансную характеристику вторичного контура.
Примечание: для увеличения числа графиков выводимых на экран монитора необходимо нажать на кнопку Add. а для уменьшения — размешаете курсор в одном из окон удаляемой строки и нажимаете кнопку Del. Графики выводятся в одной системе координат при вводе в колонке Р (Plot) одинаковой цифры с максимальным масштабам по осям.
Подстройка резонансной частоты осуществляется использованием подрежима Stepping в окне AC Analysis Limits. Активизацией кнопки Stepping переходят в режим многовариантного анализа, позволяющего в расширенной версии МС8 изменять, по выбранному закону, параметры компонентов (активных и пассивных), параметры зависимых и независимых источников сигналов. При этом могут одновременно изменяться до двадцати параметров. В версии MCSdemo возможно одновременное изменение лишь одного параметра одного компонента или модели. В качестве варьируемого компонента выбираем индуктивность первичного контура L1 нажатием на кнопку разворачивающегося окна в строке Step What и с помощью линейки прокрутю* представить на экране монитора список компонентов. Индуктивность L1 подсвечивается курсором, а нажатие левой кнопки мыши переводит ее в категорию варьируемых (рис. 5.21).
Затем указываем нижний (From) и верхний (То) пределы его изменена11 индуктивности L1 и величину шага (Step Value) (рис. 5.22).
Затем в рамке (Step It), нажимая на кнопку Yes, подтверждаем вариаций параметров выбранного компонента. В рамке Method отмечаем кнопкой 53 кон изменения компонента Linear (Linear — линейный, Log — логарифмйчС ский или List — в соответствии со списком). В рамке Parameter Туре кнопке* помечаем вид варьируемого элемента: Component — компонент (Model — ***! дель, например, источника сигнала).
В рамке Change (изменение) выбирается (помечается точкой) способ й менения шага при вариации параметра элементов: только во вложенных U** лах программы (Step variables in nested loops) или всех подлежащих изменен** ।
Лабораторная раоота № 5
397
Рис. 5.20
Рис. 5.21
рр^метров одновременно (Step all variables simultaneously). В первом случае ?,иествует возможность независимого выбора шага для каждого параметра. J втором случае необходимо изменять варьируемые параметры с одинако-’*’м шагом, что ограничивает анализ всего одним возможным вариантом. н°Пки в нижнем ряду ЛИ On. ЛИ Off включают режим варьирования (Step It)
^•«схългг» *•</ V/ М Л L Ц9 J
Рис. 5.22
перечисленных на всех закладках в режиме Stepping параметров. Кноц Default по умолчанию задает изменение варьируемого параметра от полови ного до двойного значения от его номинальной величины. Подтвержден выбранного режима анализа и вход в него осуществляется нажатием кноп ОК. Для варианта значений индуктивности L1, указанного на рис. 5. 22, по.1 чается семейство (рис. 5.23) кривых (последовательно войдя в режим АС и з тем Run).
Рис. 5.23
лаоораторная работа As 5
399
Поскольку изменение резонансной частоты происходит в неболЬЦП]ч аХ то для достаточного заметного отличия АЧХ при различных значения-.
И изменены пределы анализа по частоте (введите коррекцию в подменю дс * alvsis Limits — рис. 5.19). Для определения точного значения резонансной стотм первичного контура при пошаговом изменении индуктивности L1 необходимо последовательно выполнить (находясь в окне AC Analysis): нажать '1жды на пиктограмму Peak (рис. 5.20), что поместит маркер с указанием м ксимпьного значения АЧХ и частоты, ей соответствующей, для одной из коивЫХ. Значение параметра компонента указывается вверху семейства кривых а соответствующая кривая выделяется цветом, нажать на пиктограмму Go То Branch (перейти на другой график) (рис. 5.23).
На выпадающем подменю (рис. 5.24) нажать кнопку разворачивающегося окна и курсором выбрать интересующее значение L1, нажать на кнопку Right (правый), затем закрыть подменю, нажав Close (при этом появляется второй, выделенный цветом график), двукратное нажатие на пиктограмму Peak помешает второй маркер на максимум второй выделенной цветом кривой. i
Используя режим Stepping добиться отличия значения резонансной частоты контура каскада УПЧ от номинального 10,7 МГн не более чем на 10 кГц. Привести распечатку амплитудно-частотной характеристики для вычисленного значения L1, аналогичную рис. 5.20.
При выполнении п. 2.2.2 в первичном ное значение индуктивности LI, оставляя
контуре устанавливается уточнен-значения остальных компонентов
Рис. 5.24
4(Ю
мини ьтирин. i/rimunuc лиииритирпыл pavum пи W и г пр Л
принципиальной схемы ЧД как на рис. 5.1. Проводите расчет амплитуд, но-частотных и фаю-частотных характеристик, используя г качестве выхм ного, разностное напряжение на выходе ФСТ V(8)—V( 10). Характер выводи-мых на экран монитора зависимостей определяется подменю AC Analysis Limits (рис. 5.25). Л
Рис. 5.25
| 2-€9е€
|12е£.Эеб
|12е€,Эе6
] S--CPTJ | Roee« » Е* - |
AC Analyse Limits
|н<чюп
1
|н<лв 1С)) |Р><Ч8))
Для некоторою значения величины индуктивности второго контура (L2 + L3. значения индуктивностей L2 = L3= 1.64 мкГн) характер рассчитанных кривых имеет вил (рис. 5.26).
Используя маркер определите значение резонансной частоты на АЧХ контура (f.) и фазового сдвига на этой частоте (Ph (V(8,10)), измерьте значения частоты, соответствующие максимуму (минимуму) каждой из ФЧХ в узлах 8 и 10 по ним определите по среднее значение частоты (f р> и вели<^Н фазового сдвига на ней (Ph(f = fcp)). Полученные результаты занесите в таблицу 1. Определение максимального и минимальною значений фазы напряжений V(8), V(10) можно упростить, представив их в отдельных системах координат и используя маркер. Я
Таблица !
12 . мкГн Ч. МГц 'рад 1^МГи Ptxf« и. пил П кГц К. %I
1.64
1,658
Повторите эксперимент для величины индуктивности L2 = L3 j ~ 1,658 мкГн. Установить новое значение индуктивностей второго контур* можно используя процедуру удхзения: активизируя режим редактирований Select Mode -♦ нажать левую кнопку мыши, на удаляемом компоненте -> ня" жать на пиктограмму удаления (ножницы) на панели инструментов. Затем. ИС*
Лабораторная работа .N» 5
401
Рис. 5.26
пользуя строку основных компонентов (рис. 5.2). введите индуктивность с новым значением ее величины. Результаты моделирования занесите в таблицу' 1.
Выполнение п. 2.2.3 основано на использовании методики, применяв-
шейся при выполнении п. 2.2.1. Амплитудно-частотная характеристика каскада УПЧ, нагруженного на контур ЧД, для указанных на рис. 5.1 значениях компонентов получается при задании на подменю AC Analysis Limits пределов
анализа (рис. 5.27).
Полоса пропускания каскада по уровню 0,707Кт., определяется после нахождения максимального значения АЧХ с помощью пиктограммы Peak (рис. 5.20) и, определенного по нему, требуемого уровня (рис. 5.28).
Рис. 5.27
TV4i
/лиои и/иашшг лнииршиирпил puuvin ни tzv и flips
-J Wi -fcVayt
«С «МИ*1*Л
•/ пуск
Рис. 5.28
Вычисленный уровень указывается на выпадающем подменю после нажатия пиктограммы Go t о Y. На подменю Go to Y (рис. 5.29) в строке Value указывается значение 0.707YniM (0,707 V(7)) и нажатием на кнопку' Right последовательно устанавливается правый маркер в точках, соответствующих указанному значению. Это позволяет легко определить значение полосы пропускания каскада УПЧ (П), отсчитав крайнее левое и крайнее правое, значения частот.
Установив значения L2 = L3 =1.658 мкГн повторить эксперимент. Результаты свести в таблицу 1. чТ
Исследование временных характеристик ЧД проводят при действии н» входе ЧМ сигнала. Модель генератора ЧМ сигнала можно задать аналитическим выражением или использовать модели генераторов, входящих в библиотеку МС8, с соответствующей коррекцией. |и
Модель генератора выбирают во встроенной библиотеке, войдя в команд* Component в меню главного окна и затем, на выдвигающихся вправо подменю, последовательно: Analog Primitives -> Waveform Sources -> Voltage Source (рис. 5.30). Нажатием левой кнопки мыши на активизированную стрО<У Voltage Source входим в подменю задания параметров модели независимого источника. ] |в
Содержание верхней части подменю (рис. 5.31) Voltage Source: Voltage Source по содержанию аналогично использовавшихся ранее при вводе компонентов принципиальной схемы и источника гармонического сигнала. Ряд закладок, расположенных под функциональными кнопками, позволяет выбИ^
Лабораторная работа № 5
403
Рис. 29
Рмо S 40
404
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 5.31
рать модели источников различных типов сигналов (None — источник постоянного напряжения, заданной величины. Pulse — источник сигнала по форме близкой к прямоугольной с конечным временем нарастания и спала, Sin —I источник гармонического сигнала, Ехр — источник импульсного сигм* процесс установления и спада которого, описывается экспонентой, PWL -я Piece Wise Linear type — источник, форма сигнала которого описывается ОТ* ’ резками прямых. Noise — источник шумоподобного сигнала, Gaussian —in точник импульсного сигнала, форма которого определяется законом Гаус Define — источник сигнала, закон изменения которого определяется пол вателем). Закладка SFFM — Single Frequency FM type (источник ЧМ сшна, при модуляцией несущей гармоническим сигналом) — открывает описан** параметров источника, где: £
DC — амплитуда напряжения, используемая при анализе свойств сх€ на постоянном токе; I
AC magnitude — амплитуда несущего колебания, используемая при мо пировании процессов в частотной области; ]
AC phase — начальная фаза несущего колебания при моделировании в цессов в частотной области; 1
V0 — напряжение смещения; ]
VA — амплитуда несущего колебания, используемая при анализе схемы временной области;
F0 — частота несущего колебания; 11
лабораторная работа .У? 5
405
MI — индекс модуляции;
FM — частота модуляции.
Выражение, определяющий выходное напряжение генератора:
v(t) = VO + VA*sin*(2‘PI*m*TlME + mi*sin (2»PI‘fm*TIME)),
где TIME — время анализа переходных процессов.
Нажатие на кнопку’ Default присваивает значения указанных параметров по умолчанию, Modulate 1 — модуляция несущей тоном с частотой fm, FM — вид модуляции (частотная).
Новые параметры, вместо значений, представленных программой по умолчанию, вводятся при помещении курсора в окно (рис. 5.31) соответствующего параметра (VO, VA и т. д.) и замене на требуемое значение. Осциллограмму сигнала генератора, включенного на входе детектора, и, использующегося для получения переходных характеристик в различных узлах ЧД, можно наблюдать на экране монитора, нажав на кнопку Plot (кнопка расширения окна содержит надпись Voltage vs. Time — временная зависимость напряжения).
Принципиальная схема дробного ЧД при включении на его входе генератора с ЧМ сигналом имеет вид (рис. 5.32). |
Для выполнения п. 2.2.4 необходимо войти в режим анализа временных характеристик выбрав команду Analysis в меню главного окна и на выпадающем подменю — строку Transient (рис. 5.33).
На выпадающем подменю Transient Analysis Limits (рис. 5.34) указываем параметры, определяющие процедуру анализа и вид выводимых кривых.
'ШкгоСар 8.0.9.0 Evaluation Version - (С \MC8O€MOV)ATAWdetFM.CIR] L (Г X
Ь* Сэ^рспапк Wroo»* Ср*хг« мо» КГ --' - *
’ «* и ь л а •- • • q р з - .
• С-4- -03 X • М V S q * •
Рис. 5.32
I Лива шайрам. ипитпис лииириширпыл. раиит ни u/v и Liipj
О Micro-Cap 8.0.9.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEMO\DATAWdetFM.CIR]
=lle Edit Compcrerrt л'Мо*-з Options
Desg- Моав ме^
ТгэтуепС..
R6
АГ.. ДИфЭ
ОС- Afc+3
Ornar-c М... AltM
С^лагнс АС... Ak*5
бШМу... At«6
~'ЗП5#ЭГ RnctOT... At+7
Ot$»rton.„ AV9
Probe Transent.. crkAlt+1
Probe AC— C*I-»AH*2
Probe DC.» C*kA»*3
►3
* 1.65v №.
15П1Я2 Cl J 22*
R4
330
va
СЕ
'5ft
Rt 510
rum
\Main/
Select Mode
КЗ ..
"11J—
Runs transient analysts,on tie acove страйк
3 пуск О Mcr&Cap 0.0.90...
КйИ
At>l
Ф <E SuC ~C£.S P G
Rif 51k
»Ъзэи U T)-
—
Рис. 5.33
Йлл^’МсчжД.
C13-L =?17 503г
2 *k 23k
W P10
03
iCOOp
C4
С5 Ti
R9
20k
R16
I Fk tOu RU C’<
чнэе представление результатов
w
Рис. 5.34
Командные кнопки в верхнем ряду подменю означают: I
Run — вход в режим анализа;
Add — добавить (строку внизу подменю) график, выводимый на экра11
монитора;
Delete — удалить (не выводить график) строку;
Лабораторная работа JVs 5
407
Expend — расширить объем текстовой информации размещаемой в диалоговом окне для редактирования или просмотра. Для использования этого признака курсор помешают в подлежащем редактированию текстовом поле, нанимают левую кнопку мыши и затем кнопку Expand;
Stepping — проводить анализ для ряда значений параметра выбранного компонента (модели);
Properties — вызывает диалоговое окно, которое позволяет управлять режимом анализа и вывода кривых на дисплей;
Help — режим помощи.
Левая колонка подменю определяет числовые пределы:
Time Range — верхний предел времени моделирования;
Maximum Time Step — максимальный шаг интегрирования;
Number of Points — число точек выводимых на печать (если задается такой режим);
Temperature — кнопка разворачивающегося окна определяет закон, по которому задается изменение температуры устройства в процессе анализа (пределы анализа задаются в строке справа);
Retrace Run — определяет кратность проводимого анализа (когда указывается опция Retrace в строке State Variables раскрывающегося окна).
В правом столбце подменю задаются опции кривых.
Run Options — на раскрывающемся окне выбираются режимы:
Normal — процесс моделирования заканчивается выводом на экран монитора (без записи на жесткий диск);
Save — процесс моделирования заканчивается записью результатов на на жесткий диск в файл с расширением .TSA;
Retrieve — результаты моделирования, проведенного ранее, и записанного на диск, воспроизводятся на экране монитора как после процесса моделирования;
State Variables — на раскрывающемся окне выбираются начальные значения для процесса моделирования;
Zero — задаются нулевые значения напряжений в узлах и токи через индуктивности;
Read — в качестве исходных задаются предварительно записанные данные; i
Leave — начальными являются текущие значения предыдущего расчета, а Для первого расчета выбираются нулевые начальные условия;
Retrace — обеспечивает повторение расчета столько раз, сколько указано в строке Retrace Run;
Operating Point — нажатая кнопка против этой опции предваряет любой анализ расчетом по постоянному току;
Operating Point Only — нажатие кнопку обеспечивает расчет параметров Устройства только по постоянному току;
Auto Scale Ranges — нажатая кнопка обеспечивает автоматический выбор Масштаба для всех выводимых кривых:
408
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Опции кривых
Две крайние слева пиктограммы, определяют изменение масштаба вызд. димой переменной вдоль оси X или Y, соответственно. Нажатие па пик-nj. грамму позволяет выбирать линейный или логарифмический (Log/Linear) коны изменения по осям. Устанавливаемый порядок изменения мас1 действует только на одной строке. 3 4
Следующая пиктограмма на каждой строке позволяет выбирать цвет кА вой, выводимой на экран. Нажатие на пиктограмму обеспечивает доступ меню цвета, содсржашему 64 цвета. Цвет пиктограммы соответствует выбр..> ному цвету для кривой, выводимой на экран.
Последняя пиктограмма (Numeric Output) в нажатом положении форм рует цифровой файл с расширением.TNO, в виде таблицы результатов рас кривой. Число выводимых значений определяется цифрой, указанной вр ке Number of Points числовых пределов.
Plot Group — колонка (Р) определяет порядковый номер системы к нат, в которой будет выводиться кривая. Одновременно может выводиться! I до 9 графиков в своей системе координат. Присвоение одной цифры скольким строкам позволяет получать несколько графиков в одной си координат. £ 5
Expressions — выражения, определяющие тип переменной (или вы ния), выводимой по каждой оси. Допустимые при временном анализе п менные можно выбрать на выпадающем подменю, нажав правую кн мыши (рис. 5.35). По оси абсцисс (XExpression) обычно в качестве пере»
ЕфОТС..
D₽rc«<*oww_.
‘ахжчюму .
Се* с» Ожчп**
Яеъ^жгм СЬт^и Qkmouxm =u« bdutwr*
(ST ГТ
carwons »I <-леялр « Sfwtoctcs • » Cpvwr* • Grw *
j |
R-r 1rct«
OMicro Cop 8.0.9.0 Evaluation Version
иод Mode
fCK
Transient Analyse Limits
АЫ
•*-«V"
U«rvn 'pe $MT
Н АИЭ»
|.» »Т К* 4
Рис. 5.35
Лабораторная работа Лг 5
409
й выбирают время <Т), а по оси ординат (YExpression) из предлагаемого пе-чНя переменных (например, напряжений н узлах).
** пределы значений переменных, выводимых на экран, и шаг масштабной •етки указывается в колонках XRange, YRangc, если нс используется автома-цческий выбор пределов изменения переменных и шага сетки (нажата кноп-\uto Scale Ranges). Вначале указывается верхнее значение, затем нижнее.
Ц]аг сетки можно не указывать.
Ддя указанных на рис. 5.34 и рис. 5.35 параметров моделирования начальный участок переходных характеристик, описывающий нестационарный процесс в узлах 7 и 19, на экран не выводится. Достаточно большой интервал моделирования (200 мкс) выбран для снижения влияния нестационарных процессов на спектр амплитуд выходного напряжения.
Результаты моделирования во временной области в узлах 7 и 19 принципиальной схемы ЧД (рис. 5.32) при действии на входе ЧМ сигнала представ->ены на рис. 5.36.
Вис. 5.36
Ния 1Я получения амплитудного спектра выходного напряжения и определе-Чр.., *°эФФициента гармоник всю пользуемся встроенной процедурой быстрого ьк^Р^ования Фурье (FFT). По завершению процесса моделирования в Равного меню выбираем команду Transient и на выпадающем подменю Ч>д,.'Расм строку FFT Windows и режим добавления окна (Add FFT Window), К р*аШего частотные характеристики указанного процесса (рис. 5.37). На
410
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
rv »w
Ч» СЛ С«лаг«
•е «С(—
7 030-п •
м»х
О «Ьсг» 8-0.0.0 ( vekMltoa Venion [Tromienl Aaslyin]
•11
Cmw.i н CtlkW
* АлаМч Mndcw W«d>
* JKtS...
-5650
sa
4 7»
4Э»ЭЦ
15 000 m
-1 ХО»
а»>п-
17.0«*»Г-
UO-Xfcj
7£т )<MJ Ж): « n<V» лГ-бОл
Вне. 5.37
Э *.»d
ТЭ ТММЛП U^fiA -•«*
• J/tyCK, Пмпо>1ар0 0 9 04/.
-5.4» Г"
меовн
иое-Сар 9 EwuHon vm«n
нож
"то557
162 »»
ТЯ*<«
124Ж»
162 0Ж1
т (□•<«;
выпадающем подменю Properties (свойства) выбираем закладку Plot (рис. 5.38). В левом окне (Curves) укажем спектр какого напряжения будем наход (Harm(V(19)). Для этого в рамке What То Plot (что выводить на рисунок) на-
жмем радиокнопку (Mag-амплитуда) и в раскрывающемся окне Expression выберем V(I9). Выбрав режим вывода на экран (Show) амплитудного спектра
(Curve) одним графиком (на раскрывающемся окне в рамке Plot Group выбирается цифра 1), в рамке Title указываем автоматическое присвоение спектр) амплитуд в узле 19 обозначения Harm(19)). Нажав на кнопку Add, указываем на вывод перечисленных в окне зависимостей на экран монитора. Подтвер* жлением завершения ввода информации является нажатие кнопки OIC
Спектр амплитуд выходного напряжения в узле 19 представлен **
Для оценки коэффициента гармоник воспользуемся маркером, нажа*_Ж пиктограмму Peak. Установив маркер вблизи значения модулирущей чаСП^| (12—14 кГц на оси абсцисс), нажав на левую кнопку мыши определяем зН* . ние амплитуды первой гармоники в выходном сигнале (на частоте 15 Амплитуду второй гармоники можно определить таким же образом ИЛИ j пользовать правый маркер. Дтя этого, оценив значение амплитуды пер8*5 гармоники, нажать на пиктограмму Go То X (рис. 5.40) и на закладке Go ТЧН в рамке Value установить значение частоты второй гармоники (30 кГц) и ПИ вый маркер укажет значение амплитуды второй гармоники. СоставляюШЧ
Лабораторная работа № 5
Рис. 538
Рис. 539
412
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 5.40
спектра более высокой кратности можно пренебречь. Результаты занесите в таблицу 1.
Проделанные выше расчеты амплитудного спектра выходного напряжения проводились для условий, описанных на закладке FFT подменю Properties (рис. 5.41), где определяются верхний (Upper Time Limit) и нижний (Lower Time Limit) пределы анализа выходного напряжения во времени, а также число точек (Number of Points) на этом интервале (выбирается стандартным). Увеличение числа точек приводит к увеличению времени анализа переходных характеристик. Режим автоматического (Auto Scaling) выбора масштаба (Ajl? Scale First) по оси абсцисс (оси частот) определяет количество выводимых Н® экран монитора составляющих спектра амплитуд (10 гармоник) с включени постоянной составляющей (Include DC Harmonic) или без нее. Кнопка РетД| выводит на монитор ограничения, задаваемые программой по умолчанИ при которых проводится анализ. Нажатие на кнопку Set Default позволяетД дактировать, вводимые по умолчанию ограничения, для конкретной сХСЧЯ (следует пользоваться с осторожностью).
Вычислите значение коэффициента гармоник при значении индук™® ₽ сти вторичного контура L2 = L3 = 1,658 мкГн. Результаты расчета занеси! таблицу 1.
Для выполнения п. 2.2.5 необходимо провести подобные расчеты при личных значениях коэффициента связи, указанных в задании, между каТЯ
.luwpurtiujrttuM puuumu л <* j
413
Рис. 5.41
кой индуктивности первичного контура (L1) и катушкой связи (L3). Новое значение коэффициента связи можно задавать используя пиктограмму Info Mode (рис. 5.32). Поместив курсор на пиктограмму, нажатием на левую кнопку мыши заменяем курсор символом I. Поместив его на обозначение трансформатора КЗ и, нажав левую кнопку мыши на выпадающем меню параметров трансформатора, К: Mutual inductance/Nonlinear magnetics core model (рис. 5.7) активизируем в левом окне меню строку Coupling. Появившееся в рамке Value значение коэффициента связи, заменяется на новое и, нажатием кнопки ОК, подтверждается замена. Результаты моделирования вносим в таблицу 2.
Тийлица 2
Изменяющийся параметр
****Ф»»и»«м связи L1
li •
*сумго колебания f, Мгц
Значение параметра Амплитуда выходного напряжения 8
0.99
09
0.8
I 0.7
107
1075
' 10.8
10,85
| 10.9
Ю.95
11.0
11.05
414 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и ГПрУ
Для выполнения п. 2.2.6 необходимо подать на вход каскада ЧД амплц. тудно-модулированный сигнал, моделирующий паразитную AM. В качеств, источника воздействия выберем независимый источник напряжения с 30 k AM (без ЧМ). Для этого в меню главного окна выбираем команду Componem и затем на выпадающих вправо подменю последовательно Analog Primitives s Function Sources -> NFV (рис. 5.42).
0 u
5 rrf
RjmtOnSCAVrfM
TciUMrCW
Гми Corrpontrt» ACW
fl Micro-Cap 8.0 9.0 Evaluation Venion - [C:\MCBDEMO\DATMVdetFM.CIR] 2L—12_ESS
ILd
U.X1E
Рис. 5.42
О rw^ -^reert
ЪЯОЛЪГХН»
Г7ТГГ
fl moc-Zjp S.C .9 d. . •
шмол г 5OZC.OT • •Fl
Г ^-*4 » — — - - * fc 4 - -А 9 1 » [^•ГГЖГ# • ЧТЫ
Macro* » KTVofl
2Сарк*т Л АлааЬ* tkArts • k-xZc
J аепаЬажсо CTrertri * SM*S * i’.l
14«
9 Dot»
OhWtt
bl
Юо C1T a
*70» C.4
ян 014
На выпадающем подменю NFV:Analog behavioral voltage source (рис. 5-431» обладающем типовым описанием источника сигнала (рис. 5.14), в активно* строке VALUE вводится аналитическое выражение, описывающее закон HJ* менения амплитуды сигнала при модуляции тоном с частотой 1000 Ги и частотой несущего колебания 10,? МГц. Строка DERIVATIVE (производи^ принимается по умолчанию. Форма входного воздействия выводится на экЯ монитора при нажатии на кнопку раскрывающегося окна Plot (рис. 5.43). J
Измерение амплитуды выходного колебания на нагрузке (V(19)) ocyiuecy влястся в конце моделирования переходного процесса (Transient Analog рис. 5.36) с использованием маркеров, оценивающих максимальное и мИН? мальное значение процесса на последнем периоде выходного сигнала (ДБ . ное значение амплитуды, рис. 5.44). Результаты моделирования заносят0* таблицу 2. Для изменения частоты несущего колебания входят в подменю Ч раметров модели входного сигнала (NFV). В активированной строке УА**Д| заменяют значение частоты на требуемое, подтверждая это нажатием на «НЧ ку ОК (возможна коррекция значений пределов анализа по времени И П°в
Лабораторная работа № 5
4/5
Рис. 5.43
Рис. 5.44
416 Глава вторая. Описание лаоораторных раиот по ui и гирл
личине выходного напряжения). Результаты моделирования заносятся в j--лицу 2.
Для выполнения п. 2.2.7 необходимо включить на вход ЧД генератор cjr. сигнала (рис. 5.30). Последовательно входя в режим Transient Analysis Stepping нажатием на кнопку открывающегося окна в строке Step What визируем строку V3, а в правом раскрывающемся окне выбираем sfTm.va плитуда несущего колебания, при моделировании во временной области)^В значения частоты несущего колебания f = 10,7 МГц (рис. 5.45).
Рис. 5.45
Возвращаясь в подменю Limits меню Transient Analysis, указываем пределы анализа (по оси абсцисс будут откладываться значения амплитуды источника входного сигнала а по оси ординат — значения амплитуды сигнала н> выходе ЧД на достаточно малом отрезке времени (рис. 5.46). (Следует заметить, что расчет сигнала на выходе ЧД для одного значения амплитуды входного сигнала составляет примерно минуту.)
Рис. 5.46
лшюраторная ропота № Э
417
результирующей характеристикой будут дискретные отсчеты значений одного напряжения, представляемой в отчете в виде распечатки, для ука-в Stepping значений амплитуд входного сигнала.
5 Содержание отчета
5,|. Цель работы.
5.2. Пнниипиальная схема исследуемого каскада.
5.3. Результаты расчета.
5.4. Графики, построенные по таблицам I и 2.
5 5. Распечатка результатов выполнения п. 2.2.7.
5.6. Краткие выводы.
6 Краткие теоретические сведения
Широкое применение частотно-модулированных (ЧМ) сигналов в современных радиотехнических системах и радиовещании связано с рядом преимуществ у таких сигналов по сравнению с амплитудно-модулированнымн (AM): более высокая помехоустойчивость и лучшее использование мощности передатчика. Повышенная помехоустойчивость достигается за счет значительно большей ширины спектра ЧМ сигнала по сравнению с AM сигналом, поэтому частотная модуляция используется в основном в УКВ и СВЧ диапазонах.
Мощность, приходящаяся на частоту несущего колебания, для реально используемых индексов модуляции знач>гтельно меньше соответствующей мощности в AM сигнале. Кроме того, при частотной модуляции несущее колебание не содержит полезной информации и поэтому в радиотракте может быть применено ограничение сигнала по уровню для устранения паразитной AM. Воздействие помех, проявляемое в форме угловой модуляции полезного сигнала, значительно меньше воздействия на амплитуду сигнала в AM приемнике.
Выигрыш в отношении сигнал/помеха на выходе частотного детектора зависит от индекса модуляции. При одинаковом уровне воздействующих импульсных и флуктуационных помех выигрыш при использовании ЧМ по сравнению с AM составляет
(5.1)
I в*. = V5₽, в^п = 2р,
Р— индекс модуляции. .
Чм ^°МехоУст°йчивость определяется теоретически бесконечным спектром сигнала при 0»1. Реально ширину спектра ограничивают полосой час-. на границах которой, составляющие спектра удовлетворяют условию где Uo — амплитуда немодулированного колебания:
К AF,. = 2F_ (14-34- >). (5.2)
Л|( ^сюда видно, что для повышения помехоустойчивости необходимо уве-кнать индекс модуляции, т. с. использовать значительно более широкопо-
Аъь. -
418
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ос и гирл
лосные сигналы по сравнению с AM (AF,M = ^F^,). Это в свою очередь трем ст широкой полосы у радиотракта приемника.
Уменьшение полосы приводит к возникновению линейных (недопуст» мое уменьшение коэффициента передачи в полосе пропускания) и нелиней. ных (новые спектральные составляющие) искажений. Напряжение на выхо^ частотного детектора определяется мгновенной частотой входного сигнал» зависящей от фазовых характеристик избирательных каскадов в основное тракта промежуточной частоты.
При гармонической модуляции несущего колебания с частотой П = 2ттр мгновенная частота модулированного колебания
<o(t) = + AtoBcoswt, >
где <он - 2nf„ — центральная (несущая) частота; Д(ол = 2лЛГд — девиация (на*, большее отклонение) частоты. Отсюда фаза
<p(r) = J ciXOdt =<ont + —1 sin Ot, о n
а напряжение ЧМ сигнала
u(t) - U cos <p(t) = Ucos(ojHt + р sin Qt) = Ucos(w„ + p sinQ)t, (5J)
где индекс модуляции p = Дшд/П.
Частотный детектор (ЧД) — устройство, предназначенное для формирования выходного напряжения в соответствии с законом изменения частоты
входного сигнала.
При действии на входе ЧД сигнала (рис. 5.47о), несущая которого моду
лирована по гармоническому закону (5.1), напряжение на нагрузке дол:
изменяться согласно рис. 5.47в.
Рис. 5.47
лииирчтирная pauoma
419
выходное напряжение является результатом перемножения составляющих -гра входного сигнала в нелинейном или параметрическом элементе (проведение составляющих спектра, описываемых тригонометрическими функ-
1,3 ,, есть тригонометрическая функция с разностным или суммарным аргу-
ментом “ частотами). Появляющаяся полезная частотная составляющая об-м ,аеТ постоянной амплитудой, так как амплитуда входного сигнала не ' меняется. Поэтому использование одного нелинейного элемента недостаточно для детектирования ЧМ сигнала и его конструкцию необходимо дополнить элементом, обладающим частотной зависимостью, например сопротив-тения, от частоты.
В конструкции ЧД сочетающей инерционный (частотно-зависимый) элемент и безинернионный (нелинейный, параметрический) на первом этапе производится преобразование изменения мгновенной частоты входного сигнала. например в изменение амплитуды, формирование амплитудно-частот-но-модул про ванного (АЧМ) сигнала с последующим детектированием его на амплитудном детекторе (рис. 5.48).
Рис. 5.48
Общая структурная схема ЧД содержит на своем входе амплитудный ограничитель (АО), устраняющий паразитную амплитудную модуляцию ЧМ сиг-нала.По типу преобразования ЧМ сигнала частотные детекторы классифицируют на три группы:
• частотно-амплитудные,где ЧМ сигнал преобразуется в амплитудно-час-тотно-модулированное колебание с последующим детектированием в АД;
• частотно-фазовые, где ЧМ сигнал преобразуется в фазочастотное колебание с последующим детектированием на фазовом детекторе;
• частотно-временные, где ЧМ сигнал преобразуется в последовательность импульсов с переменной скважностью и последующим детектированием импульсным детектором.
д Частотно-амплитудные по схеме преобразователя вида модуляции подраз-нЫе На с РасстР°енным колебательным контуром и дифференциаль-То е‘ дифференциальные преобразователи включают частотные дискримина-тектор3 Расстроенных на настроенных связанных контурах и дробные де-Чп основным характеристикам, определяющим технические показатели *** относятся: 1И
верность воспроизведения закона модуляции входного сигнала;
еРность оценивается коэффициентом нелинейных искажений сигнала kr
к г = + ...) / и._. (5.4)
Где V 11
’<• 0”i u2ri,n U3nm — амплитуды гармоник частоты модуляции.
42U
[лава вторая, описание лиииратирныл, puuum пи слч. и t
соответствующая
Для современных ЧД эта величина составляет 1—2 %. Величина нелицJ ных искажений определяется в основном статической детекторной характер стикой ЧД: зависимость напряжения на выходе ЧД от частоты немодуди Д ванного сигнала. Линейность статической детекторной характеристики вЗ ласти частот от f„ - Afimat до f, + Af^,, где fH, ____
детекторной характеристики, обеспечивает минимум нелинейных искаж^Л Частота fH называется переходной и для детекторов на связанных контуД или дробных равна частоте несущего колебания и резонансной частоте ком ров детектора.
Нелинейность детекторной характеристики определяется в диапазоне Д бочих девиаций (f, > Af.);
— коэффициент передачи детектора;
Коэффициент передачи детектора
/и„ = Uab.4CTm /и.,Л = S„ AfJCT /Ли., (55j
IlTll
где U,bix ст — выходное напряжение, соответствующее стандартной лснияЦИ входного сигнала Afaci; — крутизна характеристики частотного детекторе* линейной области; С’„ — амплитуда напряжения на входе оконечного каски тракта промежуточной частоты (рис. 5.49).
Рис. 5.49
S = д*-1 л I ~ вы>о (5^
5f |~
Для достаточно малых девиаций Af, крутизну можно считать вели'й’’^ постоянной S = const.
— коэффициент подавления AM;
Дифференциальные ЧД подавляют паразитную AM входного сигнаД различной степени. Эта способность оценивается с помощью характерней подавления AM (рис. 5.50). определяшей зависимость остаточного вых^1 J напряжения, от частоты несущей входного амплитудно-модулированного *
Лабораторная работа Л° 5
421
(5.7)
Коэффициент подавления AM оценивает относительное подавление в “^дшей точке в паюсе ± AfAma4 паи*/'-1, Чдм аых СТ вых AM max среднее подавления в этой полосе
Чдм = мх ст /(£и ных AMi )/п,
ИЛИ
р, -OtUrKWji
и — отсчеты характеристики подавления AM. взятые через равные ГДС VgfctxAMi
частотные интервалы at*; п — количество отсчетов; С^хст — стандартное вы-ходное напряжение ЧМ сигнала. Дзя высококачественного приема частот-но.модулированного сигнала необходимо иметь qAM = 20—30 дБ. Указанное подавление паразитной AM достигается применением дробного частотного детектора. При использовании других типов схем ЧД или при более высоких требованиях к величине qAH, на входе ЧД устанавливают амплитудный ограничитель;
— коэффициент амплитудно-частотных и фазочастотных искажений.
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики детектора опре-«ляется комплексным сопротивлением нагрузки Z,, и достигает наибольшей ЛИД”НЫ на верхней частоте модуляции F^ (рис. 5.51а).
хОп/азовые искажения в детекторе оцениваются по нелинейности фазо-час-°й характеристики (рис. 5.516). Поскольку' ухо не реагирует на фазовые
F ст F max F F
а) б)
Рис. 5.51
422
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РНрУ
искажения, то для приемников звуковых сигналов фазовые искажения J нормируются.
Исследуемая в лабораторной работе схема (рис. 5.1) дробного частотиД детектора обладает рядом достоинств: резонансные контура ЧД настроены3 среднюю частоту, равную частоте сигнала; подавление паразитной AM 3 20—30 дБ; низкий уровень нелинейных искажений (« 2%). Это позволяет црц, менять их в схемах приемников вплоть до нулевой группы сложности. Неке, торос уменьшение напряжения на выходе дробного детектора по сравнсниД детектором на связанных контурах практически не влияет на условия рабД первого каскада усилителя низкой частоты. '
Схема симметричного дробного частотного детектора представлена щ
рис. 5.52.
ФСТ
Рис. 5.52
Схема детектора содержит фазосдвигаюший трансформатор (ФСТ) с двумя настроенными на частоту сигнала L,C, и L2C2 контурами и два AM дсте<* тора на последовательно включенных диодах VD1 и VD2. Выходное напря*6' ние снимается со средней точки делителя напряжения, состоящего из рез*' сторов R,, и Rh2, каждый из которых шунтирован конденсатором Си( и Суммарное напряжение, с каждого плеча нагрузки = UH, + z со» из-за конденсатора большой емкости Со. Величина емкости такова, что й*" пряжение на нем не успевает реагировать на быстрые изменения ам плиту» входного сигнала. Следовательно, выходное напряжение в процессе раб-J1* будет меняться как отношение напряжений U„|/Uh2, определяемых дслитеМД R„i, R„? Отсюда название детектора: детектор отношения, дробный детектор-
Малая чувствительность к амплитудной модуляции детектируемого пряжения достигается выбором большой постоянной времени нагрузок
цепи
т» - RKC„ (RM1 + R„2)Ch > ТАМ,
где ТАМ — период колебаний огибаюшей.
лаииритирная раоота J\2 J
423
Последовательное включение диодов VDI и VD2 обеспечивает разделение ей протекания постоянных и переменных токов. Фазосдвигающий транс-UC' чатор в ЧД использует понижающий трансформатор с коэффициентом ^исфо₽маиии пз= -Дй• что создает малое сопротивление нагрузки, обес-чИВаЮ1ией эффективное подавление AM. давс
ПС Связь между обмотками трансформатора L, и L3 близка к стопроцентной. Ппи этом для частоты сигнала равной резонансной частоте контуров fc = f, L создается напряжение, вектор которого Ц^синфазен с вектором Ц , На-Нпяжение на первом контуре 1 созаает’ совпадающую с ней по фазе, ЭДС г на втором контуре, и, вызывающую ток ] 2. Создаваемые им напряжения на полуобмотках катушки L,, будут равны U \ ~ U 2 ~ Ь’д /2 и противофазны. Напряжение U на L} можно считать опорным для второго контура, относительно которого изменяются фазы между напряжениями на полуобмотках катушки Ц и на диодах VD I и VD 2.
Векторная диаграмма, поясняющая работу детектора для частоты входного сигнала f с - f0, представлена на рис. 5.53.
Ui4
На рис. 5.53 а вначале откладываем вектор U(, затем синфазный с ним вектор напряжения JJ,, затем вектор наведенной во втором контуре ЭДС Ej® jti»M J li = jtoMlij/Cr, + jcoL|) = M U ,/L , совпадающий по фазе с опорным Напряжением Ток во втором контуре, вызываемый ЭДС I, = £, /(ra+j(<i>
I/ шС 2)), при резонансе (<oL 2=1/соС2)12 = £2г2 совпадает по фазе с опорам напряжением Lj. Напряжение на втором контуре, равное напряжению ' 1 a/joC 2 на конденсаторе С2, отстает от тока 12 на 90".
Напряжение U\ на верхней полуобмотке L2, приложенное к VD1, отстает напряжения U3 напряжения на 90°, а на нижней L 2 — опережает на 90°. °*ив векторы напряжений JJ2c векторами JJ'j и Ц’2 получим векторы напря-ii Иий, приложенных к диоду VDI 1)д| = Ц» + = 12 j—1L / 2 и диоду VD2
4j'n^ + 12I = UJ + 123/2.
»Ри равенстве напряжений на диодах U я1 и L ,2 через оба диода протека-При ИЧая Постоянная составляющая тока 10, а напряжение = 1.ДRH, + К<?)-п0 Uw< = 0. Увеличение амплитуды входного сигнала приводит к про-т'^ЦИона.1ЬНОМу увеличению всех векторов, сохраняя равенство |Ц.( = lL2,?L , • амплитудная модуляция на выходе детектора отсутствует (5.9, 5.10).
424
Глава вторая. Описание лабораторных рачот по czc и rnps
Разделение цепей переменных составляющих каждого тока диода при щем постоянном токе приводит к тому, что при расстройке входного сип относительно резонансной частоты, выпрямленные напряжения U,, х ц значит и углы отсечки тока различны 0( * 0;, при неизменности постов тока диодов. Для условия f > fn (рис. 5.52) большему высокочастотному на жению (U д( > U соответствует большее смещение, и меньший угол ото (0, < 0 2). Отсюда следует, что при изменении частоты входного сигнала и няются углы отсечки токов диодов. Выпрямленное напряжение определи напряжениями на конденсаторах С н|, С н2, Со .в
и.их = и_2 - ин0/2, ;fl
а ^н0~ UBUX| + U^J.
Отсюда
- Uwl)/2.
В первом приближении для АД U6UM| = U.jCOsO,, UMlx2 = Uj2cos02. тогда
UBUX = (U^cosOj — UBlcos0t)/2.
Как следует из (5.9), выходное напряжение определяется напряжения1 диоде и выпрямленным напряжением UH(), зависящим от углов отсечки п диодов. При достаточно большой величине емкости Со, когда скорости за| и разряда конденсатора Со значительно меньше скорости изменения ампл ды сигнала, напряжение IJHU = const. Г
В этом случае не может быть пропорциональности между ампли входного сигнала и напряжениями С:1ЬП] и поскольку их сумма дс оставаться неизменной. Отсюда следует, что чем больше ид| и Ь\;, тем ' ше cos 0j и cos 02 и, следовательно, тем больше углы отсечки 0, и 02 В время, чем больше 0, и 02, тем сильнее в соответствие с (5.12) шунтиру действие диодных детекторов на колебательные контуры, т. к. входное сои тивление диодных детекторов
R
г O-sin0cos0
При уменьшении амплитуды входного сигнала (при Uh0 = const) с. шунтирующее действие диодных детекторов и тем больше cos 0| и cos 0:-
Векторная диаграмма, соответствующая случаю fc > f-, изображен рис. 5.536.
Положение векторов напряжений tJ3 Е: аналогично резон ай* случаю. Ток. создаваемый Е2, будет отставать вектора ЭДС на угол Фи« 12 = Е2/(г, + j(a>L, - 1/оС,)), а контур эквивалентен индуктивности. Hafll ние U2 на конденсаторе отстает от тока К на 90°. Напряжение на верхне* луобмотке катушки Lj равное L.2/2 отстает от тока 12, а напряжение и* опережает ток 12 на 90“* Складывая вектора U, и напряжения на инду^-" сти U, получим векторы напряжений, действующих на диодах VDj и *4 следует из (5.11), это приводит к появлению выходного напряжения, отл го от нуля. Для относительно быстрых, по сравнению с периодом моДУ-1
Лабораторная работа № 5
425
колебаний. изменений амплитуды входного сигнала напряжение на С ^'•тся постоянным.
‘рри увеличении амплитуды входного сигнала ию| > U^, увеличиваются жеНИя на диодах ид| и ид2 это приводит к увеличению углов отсечки и к и^ныдению входного сопротивления АД (5.12). Падение нагруженной доб-''тности второго контура вызывает уменьшение модулей 12, U" и умень-фазового сдвига между ЭДС и током вторичного контура <р, < <р0 / «с 5.53 в), что резко уменьшает разницу между напряжениями на диодах ур и VD; (Цд| - ЦД < (ид1 — и, связанную с ней величину выходного п1,ряжения (5.11). При гармоническом изменении огибающей входного сигнала амплитуда выходного напряжения будет повторять изменение амплитуды входного сигнала с обратной фазой. Это указывает на подавление амплитудной модуляции входного сигнала не только на резонансной частоте, а и на частотах во всей полосе усиления. Эффективное подавление AM сигнала достигается симметрией схемы детектора. В конструкциях реальных ЧД причиной ассиметрии может быть неидентичность половин катушки L,, различие параметров диодов и паразитная связь между катушками L2 и Ц. Выполняя часть нагрузки детектора в виде двух подстроечных резисторов Ral и Rj2, не шунтированных конденсаторами, можно увеличить симметричность характеристики детектирования и улучшить подавление амплитудной модуляции. Значение напряжения низкой частоты, обусловленное воздействием на входе ЧД сигнала с паразитной AM, определяется глубиной AM сигнала и коэффициентом передачи ЧД по напряжению низкой частоты. Поскольку входное сопротивление ЧД (5.12) зависит от угла отсечки (амплитуды входного сигнала). то при возбуждении детектора генератором тока (малое входное сопротивление детектора) глубина модуляции сигнала на диоде значительно ниже, чем у входного сигнала. Поэтому нагрузкой детектора должно быть малое сопротивление для частоты сигнала и сопротивление по постоянному току Должно быть значительно больше сопротивления на частоте модуляции, vu АМ’ В Детекторе отношений это обеспечивается включением входа ”4 (нагрузки) между точками I и 2.
При действии на входе детектора отношений (рис. 5.52) немодулирован-Ог° сигнала выпрямленный ток I „ протекает через диод VD1 от контура к агРузке, а через диод VD2 — от нагрузки к контуру. Пусть за счет быстрого енения напряжения на вторичном контуре ток обоих диодов изменился на оторую величину Al^. При возрастании напряжения на диоде VD, прира-Яа йс тока д1т совпадает с направлением тока !„. В тоже время напряжение Диоде VD, уменьшилось, значит уменьшился выпрямленный ток, что экви-к и ТНо протеканию приращения выпрямленного тока Al„n также от контура нагРУзкс.
коир° переменному току резисторы RH| и R112 включены параллельно, т. к. Част СНСатоР Св представляет собой короткое замыкание для токов низкой ЧИе Tbl И НагРУ3кой каждого детектора АМ является сумма RH1 + RW)H4. Паде-Д Напряжения на этой нагрузке при протекании тока 2aIm1
унч
U„ = 2Al,n(R„yH4 + R,lt/2) = Al„,1(2RKiyM,, + R,„) (5.13)
*Z0
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Уравнение (5.13) позволяет построить эквивалентную схему детектора
ношений для токов низкой частоты (рис. 5.54).
идГПКддЛ^
RhI
2
Рис. 5.54
Напряжение низкой частоты на нагрузке (R „ >нч) будет равно ^»*унч — m2RhjyM4 /(2R—PP, + R„i),
(5.Ц где Ua — напряжение на входе амплитудного детектора; К м — коэффиццД передачи амплитудного детектора по низкой частоте; m — глубина амплиД ной модуляции преобразованного входного ЧМ сигнала. Для входного сигщ. ла, обладающего девиацией Afc, определяемой обобщенной относителмВ расстройкой £ = Af .Q H/Qo значение глубины амплитудной модуляции Л
I + V
m =
(5.И|
где QH — нагруженная добротность колебательного контура; a Qo — ненафу» женная добротность, без учета влияния на контур подключенных элементов: V — параметр связи.
Формула (5.15) определяет изменение амплитуды напряжения на диодах, которое в общем случае зависит от внутреннего сопротивления источник» сигнала, но вследствие противофазности изменения напряжения на диодах, реакции диодов на контур будут компенсироваться. Это позволяет определяй глубину модуляции преобразованного напряжения по формуле (5.15), без учета свойств источника сигнала.
При этом сопротивление нагрузки детектора по постоянному току буДй меньше сопротивления нагрузки по току низкой частоты.
Напряжения на первом и втором контурах полосового фильтра опреде^ ются соотношениями:
U| = Uoxmt-----------------,
(g„ + g„/2)(l + v2)
U2 = Ug>m,-------—---------
(gk + g«/2)(l + V )
(5.1^
(5^
2Ч’
где v — параметр связи; тк — отношение напряжения на коллекторе к жению на первом контуре. Л
Для оптимально реализованного фазосдвигащего трансформа* L, = Цк^Д, U3= U,/2, а напряжение на диоде U, — геометрическая О1 напряжений U, и U|/2, тогда из уравнений (15), (16) имеем |
Лабораторная работа Л? 5
427
L) — имтк-------------г-,
(2gk +g„)(l +v2)
(5.18)
откуЛ3
значение амплитуды напряжения на входе оконечного каскада УПЧ н _ Ua(2gt +gM)Jl + V2
mk|Y21|
Определяя коэффициент передачи частотного детектора как отношение пряжения на входе каскада УНЧ (5.14) к напряжению на входе оконечного каскада УПЧ (18) с учетом (5.17) получим
2K-Aa|Y21|mkRMyHm
Кчд-----------—-------------,____.
(2gk +g..)(2Reyn + R, 1 + v
(5.20)
гае _ активная составляющая проводимости ненагруженного колебательного контура, a g,, — активная составляющая входной проводимости ЧД.
Значение коэффициента передачи частотного детектора увеличивается (5 19) с ростом входного сопротивления УНЧ. Максимальное значение коэффициента передачи ЧД совпадает с оптимальным режимом работы для детектора AM сигнала. При этом для малых амплитуд входного воздействия ВАХ детектора AM можно считать экспоненциальной i = i0(exp(y ид) - 1). В этом случае коэффициент передачи детектора AM на низкой частоте определяется соотношением
к«“Г7г|/(|^/,а»в<кл»'
Jо)!
(5.21)
где А = yioR,» В . = 1,41 уиж, К „ — коэффициент передачи АД по постоянному Т0*У, J, — функции Бесселя нулевого и первого порядков, v — отношение сопротивления нагрузки детектора по постоянному току к сопротивлению на-ФУэки по переменному току
v = R1/(2RBiyH4 + Rl).
Для
М°в или Одного То*У к,.
известной величины RBX определяемой из условия минимума шу-согласования по рис. П.1 определяем входное сопротивление ампли-Детектора RM = l/gM и коэффициент передачи АД по постоянному
7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
^** 7 ? ^арисУйте принципиальную схему дробного ЧД.
Нц-jp ’ ’ Зарисуйте принципиальную схему ЧД на связанных контурах. Объяс-Различие схем.
к Нарисуйте структурную схему ЧД и объясните принцип работы.
1 лава вторая, описание лабораторных раоот по ис. и к пр у
7.4. Чем отличаются по принципу обработки сигнала ЧД на расстроенньь и ЧД на связанных контурах?
7.5. Для чего необходима катушка связи в дробном ЧД? И
7.6. Почемуисследуемый детектор называется дробным? Подтвердите ед отношением напряжений, действующих в схеме.
7.7. Каково назначение конденсатора С6 в принципиальной схеме дроб. ного (рис. 5.1) ЧД?
7.8. Какой вид имеет векторная диаграмма дробного ЧД? И
7.9. Отчего зависит степень подавления паразитной АМ в дробном ЧД? 1
7.10. Каково соотношение резонансных частот контуров в УПЧ и ЧД? К чему приводит их различие?
8 ЛИТЕРАТУРА Л
1. Радиоприемные устройства / Под ред. Н. Н. Фомина. М.: РиС, 2003
512 С> ,1
2. Разевиг В. Д. Система схемотехнического проектирования Micro-CAP V. М.: СОЛОН, 1997. 273 с.
3. Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств /М. К. Белкин, В. Т. Белинский и др. / под ред. М. К. Белкина. Киев: *Вища школа», 1988. 447 с.
4. Проектирование радиоприемных устройств / С. М. Клич, А. С. Кривенко и др. / под ред. А. П. Сиверса. М.: СР, 1976. 486 с.
5. http://WWW.spectrurn-soft.com/demoform.shtm (адрес в Internet для получения студенческой версии ССМ МС).
ПРИЛОЖЕНИЕ ]
Характеристика германиевого точечного диода, аппроксимированная экспонентой i = i0(exp(yu д) - 1) содержит коэффициенты, определяемые примерно как: i0 = 3 мкА, у = 29 1/В. . г>.
Входное сопротивление усилителя низкой частоты R„4yH4 выбираем равным 5 кОм, в соответствие с рис. П.1. Л
Амплитуду напряжения на диодах принимаем равной 200 мВ, а раствор детекторной характеристики 2П = 450 кГц, для частоты входного сигнала РаВ' ной промежуточной частоте и резонансной частоте контуров f0= 10,7 МГц.
Затухание ненагруженных колебательных контуров d^ = 1/QO выбирая равным O,OI(Qo= 100), а параметр связи у = 2. J
Затухание нагруженных колебательных контуров определяется соотношением Я
d э= 3n/fov = 1/Q э- Л
Для известных значений параметров колебательных систем и рабочей ча тоты определяем значение конструктивной емкости колебательных контуроЧ
Ск = l/2n f0 d^Q^ - Qft).
Лабораторная работа JV? 5
429
Эквивалентная емкость контуров, включающая в себя также емкость мон-
та*а
и емкость диода, определяется:
С„ = С, + Cu + С/2,
q = 5—10 пФ, а значение емкости диода Са определяется из справок-ника. * гч/\ .* * 5. > т а > и j - и
Индуктивность колебательных контуров определяется соотношением k = l/(2nf0)3C_.
Значение вспомогательной индуктивности L, определяется при условии гЛ«спсчения максимальной конструктивно достижимой величине связи меж-^ютушками L, и L, (^ = 0,99) и, коэффициента трансформации, выбираемого в пределах пэ=3,5—4,5, для приемников первой и высшей группы
СЛОЖНОСТИ.
Значение коэффициента передачи ЧД определяется по формуле (5.20) для выбранной аппроксимации ВАХ диода и соотношения (5.21).
Нормированные значения коэффициента передачи по постоянному току и входного сопротивления .АД f4j от уровня входного сигнала приведены на рис. П.1. w *• • -• 1 *
6
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГЕТЕРОДИНА
НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
1 Цель работы Л
Изучение принципов построения гетеродина радиоприемников на биполярном транзисторе; машинное моделирование гетеродина, выполненного по схеме емкостной трехточки, и, влияния на его параметры элементов схемы, с применением системы схемотехнического проектирования Micro Сар 8 (МС 8).
2 Задание Л
2.1 Расчетная часть Л
Используя сведения о параметрах транзистора, приведенных в приложении, и принципиальную схему (рис. 6.1) рассчитать:
• амплитуду первой гармоники тока коллектора;
• амплитуду импульса тока коллектора.
2.2 Экспериментальная часть Ш
Для компьютерной модели гетеродина на биполярном транзисторс.реали-зуюшей принципиальную схему (рис. 6.1) получить: И
2.2.1. Временную зависимость напряжения на выходе эмиттерного повторителя QI.
2.2.2. Временную зависимость коллекторного тока транзистора Q2.
2.2.3. Амплитудный спектр напряжения на выходе эмиттерного повторителя. Оценить значение рабочей частоты гетеродина.
2.2.4. Амплитудный спектр напряжения на выходе эмиттерного повторителя для ряда значений емкости СЗ (15—30 пФ) контура гетеродина. I
2.2.5. Временную зависимость и амплитудный спектр тока коллектора Д-1® различных значений резистора R5 (100—1000 Ом).
2.2.6. Амплитудный спектр напряжения на выходе эмиттерного повторителя и оценить значение рабочей частоты при изменении температуры оКрУ' жающей среды на ±50".
лаоораторная работа Л? 6
431
3 Описание принципиальной схемы
Исследуется принципиальная схема (рис. 6.1), содержащая генератор на '«полярном транзисторе КТ326В (Q2), реализованный по схеме с емкостной кратной связью, и буферный каскад на таком же транзисторе (Q1). Элементы контура генератора, обеспечивающие рабочую частоту: С6, С7 и индуктивность первичной обмотки трансформатора с учетом пересчитанной в контур вторичной обмотки (подключенной ко входу эмиттерного повторителя), для указанных в принципиальной схеме элементов рабочая частота составляет примерно 12 МГц. Настройка (подстройка) на требуемую частоту достигается изменением значений емкости СЗ. Реализованная схема генератора обеспечивает достаточно высокую стабильность частоты колебаний, благодаря применению сравнительно слабой связи контура с транзистором. Для этого выбираются относительно большой величины емкости конденсаторов С6. С7. Одновременно большая емкость контура уменьшает влияние нестабильных емкостей р-п-переходов на частоту колебаний. Буферный каскад в реальных радиоприемных устройствах служит для снижения взаимного влияния параметров преобразователя и гетеродина. Эмиттерный повторитель является достаточно мощным источником переменной составляющей тока на сравнительно малом эквивалентном сопротивлении нагрузки R10, создавая на нем
падение напряжения ~200мВ, что удовлетворяет требованиям к реальным ге-
теродинам. Применение трансформатора с малым коэффициентом трансфор-
мации (~0,03) улучшает межкаскадную развязку.
Рис. 6.1
lAlioU nmUjmA» VZ/144 V C4r < 14 V UUt/V^MJllV^flUUt //MUVHI /ft/ vx м л ups
Остальные элементы выполняют вспомогательные функции. Так R8 и обеспечивают требуемое напряжение в коллекторной цепи транзистора Я (1^ = 5 В), R5 и С5 — цепочка температурной стабилизации режима по Пп стоянному току за счет отрицательной обратной связи во входной цепи. рези сторы делителей напряжения питания во входной цепи R6 и R7, вместе с 2 зистором в цепи эмиттера R5, обеспечивают режим работы транзистора, зад» вая ибэ0(1м) и, для выбранного U^, величину постоянной составляют», коллекторного тока 1к0 (Ik0= 2,7 мА).
В схеме эмиттерного повторителя на транзисторе Q1 резистор R9 onpe^j ляст в основном напряжение питания в цепи коллектора UK30 делитель Rj н R3 вместе с RI создают требуемое U6j0 и l6j0, т. с. 1к0 (1к0= 1,5 мА). РезисиЗ R10 выполняет роль сопротивления нагрузки, и С2 является разделится конденсатором, воздушный трансформатор К1 вместе с R4 обеспечивают буемую амплитуду входного воздействия для неискаженного усиления.
4 Методические указания по выполнению работы
4.1 Расчетная часть
Энергетический расчет гетеродина для критического режима транзист
Q2 и параметров, указанных в приложении, проводится с учетом величин элементов принципиальной схемы (1к0 = 2,7 мА, U кэ0 = 3,6 В). fl
Примечание: необходимую для расчета критическую крутизну определяют!
по статическим выходным характеристикам, взятым из справочника или по лученным по известным параметрам модели транзистора в разделе 4.2. Ч
4.2 Машинное моделирование fl
Временные характеристики гетеродина, его амплитудный спектр в харак терных точках принципиальной схемы исследуются с применением систем! схемотехнического моделирования Micro Сар 8 (МС 8). fl
Предполагается, что:
• студенты знакомы с основами работы операционной систем!
WINDOWS 98 (или более поздними версиями);
• имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии по, указанному в п настоящего описания, адресу получить инсталляционные файлы студен ческой версии программы mc8demo.exe или приобрести эту программ на CR дисках. fl
Демонстрационная версия содержится в ZIP-файле (ее можно раскрь1* программой PKUNZIP). Запуск программы осуществляется программ0 SETUP.EXE. После завершения установки формируется папка Micro Сар Working Demo для быстрого запуска МС8. В подкаталог MC8demo\data заН сятся файлы схем, имеющие расширение .CIR, и библиотеки математически моделей компонентов в файлах с расширением .LBR. 1
После установки и запуска программы mc8demo.exe в верхней части экр* на монитора появляется окно главного меню с панелью команд (рис. 6.2)-
Меню главного окна представлено второй строчкой сверху. Оно состоит из команд: File, Edit, Components, Windows, Options, Analysis, Help. Верхняя строчка главного окна в подкаталоге \DATA укажет присвоенное ЭВМ или, выбранное Вами имя вводимой схемы с расширением .CIR, которое используется для описания схемы во внутреннем формате МС8 (вначале ЭВМ присваивает формируемой схеме имя CIRCUIT с некоторым порядковым номером, которое при выходе из программы можно заменить на любое другое).
Применяемые в принципиальной схеме наиболее часто встречающиеся компоненты (конденсаторы, резисторы) выбираются курсором (рис. 6.2), активируются левой кнопкой (например, резистор) мыши и затем помещаются в ^бранном месте главного окна при повторном нажатии на левую кнопку. деРЖИвая нажатой левую кнопку можно вращать компонент, щелкая правой. РИ отпускании левой кнопки местоположение компонента фиксируется и на ^спадающем меню Resistor предлагается присвоить ему позиционное обозначение (PART), указать его величину (VALUE), а так же другие, не исполь--емые при выполнении лабораторной работы, параметры. Присвоенные зна-^Ия МогУт изображаться вместе с компонентом в главном окне, если под-Пэ ЧеННЫ” паРаметр помечен галочкой Show (рис. 6.3). При вводе значения
Раметров допускается использование масштабных коэффициентов:
рачение 106 ю3 10"3 кг6 10"® 10'12 10’15
Пуфике MEG к м и N Р F
5^еп-Форма 10Е+6 10Е+3 10Е-3 10Е-6 10Е-9 10Е-12 —J 10Е-15
2 4UDU O/F4t//ZWZle /••• (VJ/ЛU<A ^WWFr< /I<Z VZV M Л
Рис. 6.3
Масштабный коэффициент может содержать и другие дополнительные символы, которые программа игнорирует.То есть величина емкости в 5 пФ может быть введена: 5 PF или 5 Р, или 5Е-12. .
Подтверждением окончания ввода любого компонента является нажатие кнопки ОК. Если неверно введены какие-либо сведения, то нажатие кнопки Cancel отменяет всю введенную информацию о компоненте.
При необходимости коррекции отдельных элементов принципиальной схемы необходимо сначала его удалить. Для этого вначале активизируют режим редактирования элементов и компонентов схемы (Select Mode, рис. 6.2). Затем, подведя курсор к компоненту, нажать левую кнопку мыши. При этом подсвечивается, обычно зеленым светом, компонент или соответсвуюшй* текст на принципиальной схеме и затем, войдя в меню EDIT, на выпадают®* подменю выбирают CUT (рис. 6.4) и удаляют необходимый атрибут схемы Альтернативным вариантом при удалении компонентов является применение пиктограммы CUT (или Ctrl-X) на панели инструментов (ножницы), когорт активизируется только при нажатии кнопки Select Mode (рис. 6.2). «Л
При вводе транзистора типа PNP, которого нет в списке основных ком' понентов, необходимо сначала выполнить команду Components в меню гла* ного окна и на дополнительном меню, разворачивающемся вправо, выбрЯ" Analog Primitives, а из предлагаемого списка устройств выбрать Active Devic®* а затем, на закладке активных компонентов, PNP (рис. 6.5). 1
В дальнейшем, при повторном вводе транзистора такого типа, выполняв мая команда Components уже содержит данный тип транзистора на выпада**! тем меню и достаточно лишь активизировать в нем соответствующую строКУ'
Лабораторная работа JVs 6
435
6,rg®Fnrt
мест vo :е
Рис. 6.4
J пуск
• I.
*dc»Mi 0eto»F»9«-.
ftrf-лГ’ИЛ*. .
6c«
Cbange
icio-Cap 8.1.0 0 Evaluation Venion - (C:\M€8DEM0\data\circult1.ck|
PJ
И
PNPR^1 ТгУМХЗ
X
Fnd..
ROMtltotFtod ГМ**.
♦•J £*»-** si гйбрт^П) - uo П<*7«мг<в;оа
Яг* Я .. MXart :Vw* C**tF«O» -•*'
w ** — ... ОЖ РЭ» CV*v :bM Dto 2te*CJt**« Crl»Oel 5eec‘ aH CVHA
Ccw e :kcojri
□юу toeEntreWneb* to«Frtz»Fto.
типе
с»**
F3
>Гд^иГЕТ,МС
□ tbbFT^D -Ml П Mr/irOp S-kQlK
СШсго-Сар 8.10.0 Evaluation Venion - (C:MAC8DEMOVdatakircuit1 cir]
Fl» ьмЕЗЕЕГЕг** с за hKSSSSS £ - -r -,i ‘Mtrcicrar.
\ OijUin-mrve»
:-tooiLb*-r Animate»,
^dCc^ptr*! Ct**9Ml*F
1 Ground
2 Рж«г ЭЬОг, <C«ta 5PV 6'rntXT*
7 See iotroe Bbdum 9»ew
OJc*'
_ 7 c CrrrpcrwXj • 1л- iw -#- a
• wjveto'’’» Soirees •
• Function Soiree* » FMCS
• Itoiace Sour ж • PKG
• Г Tranefarir Sort» • weos
ranuitj/ • □PMC’S
Macrci • NJF€~
stos • PFTT
Corrwckn • Oprw
SM^ » G^AET —
^«cdiP^pckse •
veorf » P»#4
Рис. 6.5
436
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
При нажатии на левую кнопку' мыши на ниспадающем меню Р\р Transistor (рис. 6.5) выбирается позиционное обозначение компонента, нами, наюшееся по умолчанию с буквы Q, затем его характеристика VALUE, опрЗ деляющая активный режим, тип транзистора MODEL, тип корпуса PACAGr. стоимость COST и значение рассеиваемой на транзисторе мощности РОЧ'ЕЫ
Поскольку в библиотеке МС8 нет отечественных транзисторов, то нео&| холимо ввести параметры модели Гумеля — Пуна транзистора КТ326В,лред] стааляемых в массиве Source: Local text area of C:\DATA\Vgeter.CIR (массив cirquitl.cir, рис. 6.6).
Рис. 6.6
Дтя этого, после ввода выбранного позиционного обозначения транзит pa (PART), характеристики, определяющей активный режим (VALUE, мо» не вводить), выбирается строка MODEL, в которой указывается имя выб|Я ного из библиотеки МС8 транзистора, активизацией соотвстсвующей стрО1 Нажатием на кнопку NEW определяете переход в режим ввода парами новой модели тразистора. В строке MODEL появляется надпись New Мо»
Лабораторная работа .Лё 6
437
0 дублируется в верхней строке Value. Находящийся там курсор позволяет вести, выбранный Вами тип транзистора, или ввести новый. Введя тип тран-utcTOpa, затем приступатс к редакции параметров модели Гумеля — Пуна, би-10Яярного транзистора описанного в таблице параметров. Для этого кусор левой кнопкой мыши помещаете в одном из окон массива: Source:Local text area of C:\DATA\Vgcter.CIR,где Vgcler- имя файла, использующегося для ввода принципиальной схемы гетеродина и последуюего анализа (на рис. 6.6, jcuit !)• Содержащиеся в каждом оконе числового массива значения удаляйся «стрелкой» на клавиатуре и затем вводятся из описания модели транзистора КТ 326В.
Рис. 6.7
Смысл, заключенный в абревиатурах приведенных параметров,и усло-ВИя’ при которых они получены, расшифровывается в пособиях по примсне-П^1^₽ограмм Р-CAD и PSpicc для схемотехнического моделирования на
Сведения о параметрах модели транзистора также можно ввести исполь-гда ₽С*ИЧ описания моделей. Для этого необходимо войти в режим Models из оКиБНого Окна, щелкнув левой кнопкой мыши по надписи внизу главного нь1ха,/рис' 6-2). активизируя режим описания моделей используемых актив-рим<?СТройСтв- (Active Devices). Содержание текстового файла (рис. 6.7) с па-фай\ТаМИ тРанзистоРа КТ 326В совпадает со сведениями пред ставленными в T°Pb<C $Оигсе:Соса1 text area of C:\Data\Vgeter.CIR (рис. 6.6). Отсутствие неко-Свосн "аРамстР°в модели транзистора в текстовом файле обусловлено при-дели ИхЗначений по умолчанию либо переходом ЭВМ к упрощенной мо-
^-’берса — Молла.
Пун4 РИМенение нелинейной модели биполярного транзистора Гумеля — ПоД)1 |,к‘*’Ует задания всех параметров числового массива Data\Vgctcr.CIR
PNP Transistor (рис. 6.6).
438 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и ГПрУ
Система схемотехнического моделирования МС8 позволяет получать вспомогательных характеристик (рис. 6.6), используя параметры введен модели транзистора КТ326В.
Перечень вспомогательных характеристик выводится на экран мон»г при нажатии на кнопку расширения окна (рис. 6.8):
• семейство выходных (1с vs Vce) характеристик 1к = f( 11кэ);
• зависимость коэффициента усиления (DC Current Gain) по постояу му току Тк/Тб = ((Ik); ji
• зависимость напряжения насыщения (Vce saturation voltage) от код торного тока Укэ = ЦТк); 1
• зависимость коэффициента усиления по постоянному току от час1 (Beta vs Frequency) ! к/1 б = f(F). J
Активизировав левой кнопкой мыши необходимую строку, получаем экране монитора выбранную зависимость, нажатием кнопки Plot. Bi строку Тс vs Vce получаем семейство статических выходных характер
Рис. 6.«
Лабораторная работа Л? 6
439
Рис. 6.9
(рис. 6.9). Это семейство кривых используйте для определения критической крутизны.
Выбрав в окне схем пиктограмму источника питания (батарею) на строке основных компонентов левой попкой мыши, устанавливаем графическое изображение источника питания с учетом типа проводимости транзистора, в схе-
Величина напряжения источника питания принимается равной 12 В в подменю Battery:Battery (рис. 6.10). ’
Соединительные линии между элементами схемы прочерчивают исполь-Т’1 кнопку ввода ортогонхтьных проводников Wire Mede (изображение ли-и) на панели инструментов (рис. 6.2). Установив курсор в нужном месте и Мого окна (окна графического редактора), нажимаете левую кнопку мыши нсн ерживая се» ♦ прочерчиваете» линию до соединения с выбранным компо-
2м или линией. Отпустив ее, фиксируете положение линии. |
Чес 0ГЛасующий трансформатор К1 (без потерь и ферритового или металли-нОГо ° сеРДСчника, рис. 6.1) вводится выбором на второй строке окна глав-ПоЛм Мен*° команды Component с последующим выбором на выпадающем Сопи*?*0 Anal°g Primitives и на выдвигающемся вправо подменю. Passive ь. П Пеп18 с последушим выбором Trans-lbrmer (рис. 6.11).
Си в °являющееся графическое изображение трансформатора устанавливает» На^ат?л,1Ом месте принципиальной схемы с соблюдением полярности. При ПоЯь И Леа°й кнопки мыши положение трансформатора фиксируется и, на К яющемся подменю, вводятся параметры трансформатора (рис. 6.12).
440
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Ч*т* -
Kalue
: пусн
ЪЬгидесж’”*** ^1 rMWO^-t-n - fl‘*ro<o<ioa
Setae: Mode fTreoV:<merTr»nt'C4ne'
Battery:Battery
Descnplicx Votsge va ue Syntax: «value*
BMtcro-Cap 8.1.
Рис. 6.10
Evaluation Version > (C:\MC8DEM0Mata\circuit1 clr]
C^rxre ЧлМ* *w
лпеод^гимям»
Агмдксужу
Dejn^ltrery
f nd Co«r<oner>« CtИ9» Й»Г
? Gnxnd
4 С<«ЖУ
« Trarvtrnv TSneSora • >Wr«r
ОХА
If
р^мСлрггп
Acx C*XM -AMwfcrn SarcM 4/rtcn Seiran _<Aar« Soirae { T'vwfcrm Suucm •.«<djv5ar:« Метав ^£X>9
inductr
Г’сг»
СИ5
К
2«W
Рис. 6.11
Лаоораторная работа As 6
441
Рис. 6.12
В строке PART вводится позиционное обозначение трансформатора (буква К с некоторым порядковым номером), а в строке VALUE значения индуктивностей первичной и вторичной обмоток трансформатора и коэффициент связи между обмотками. Пояснения к принятым обозначениям и вводимым параметрам можно найти нажав кнопку Syntax (рис. 6.12).
Закончив ввод компонентов принципиальной схемы и, проверив их значение, нажатием пиктограммы Node Numbers (номера узлов) определяют узлы принципиальной схемы устройства (рис. 6.13) и переходят в режим анализа свойств схемы. Режим анализа схемы по переменному току предваряет оценка *в*очих режимов транзисторов по постоянному току.
Обеспечение режима работы транзисторов в соответствие с рекоменда-рИ(.М11 п- 4 * Достигается при выборе элементов схемы, приведенных на дДг Проверка указанных режимов проводится с использованием режима а Кд1ГП,с DC. Для того в меню главного окна схем выбирают команду Analysis, (ni.a ^оп°Днительном, разворачивающемся вправо подменю. Dynamic DC ине. 6.14)
* НЬ,пал;1ЮЩСИ закладке Dynamic DC Limits по умолчанию указываются Ром НИЯ нап₽яжений в узлах принципиальной схемы, что реализуется выбо-ТеП) Кжима Place Text (помечается), для выбранной температуры (рис. 6.15) ratUrC ^*sl ^или списка значений). В строке Slider Percentage Step Size H,Ha ИЗМе*чсния значения помеченного резистора) указывается прирост ,НЫ сопР°тивления в процентах при нажатии на кнопку Up Arrow кла-Pbt или ее уменьшения, при нажатии на стрелку Down Arrow.
l лава вторил. unuiunut л иииршпирн via ршмн ни c/v и Г upj
Рис. 6.13
Д cte idK Cowpnent WrtX^s СкМсг’- |
Trjrsw»:.
DC-
CV-»™ K..
Prcee Trww^it .
P'-atetr
Dr*»<C<
AC**
A**l де*: >*•3
Г»НЛ>-1 №1»AV2 TrUA».?
FB n
OMkro C<> 8 1 jO.O Evaluation Version - [С:\МС80€ЖП0АТА\Уее(ег.СЖ]
Aire
>ite ”-ТпЛг Fs/cxn.. Alt*’
мне
• Л
Hits be anaM s and deatar/s 02 из tao* с «не X and power vaLes o" r< tcne^iaX
г • _i±_
ел Д (F
J пуся
c$ 3 0-u
ел
RJ
•Ip c:
CD— tv r.n
Э ’А6Ик»Т>«Мс- П«-СГ^С*.&100
aliLlbf Mi'"XreeX.Mo«5X»-*o / >etea мэе»
ft- f S?M«?
Рис. 6.14
Лабораторная работа М 6
443
Рис. 6.15
в узлах
Активизация пиктограммы Text размешает в рамке окна схем сведения :
• об условиях анализа (анализ по постоянному току);
• значение температуры при проведении эксперимента (27 °C); I
• тип выводимых сведений (значения напряжений в узлах, токов в ветвях
И Др.)- |
Активизированные следующие пиктограммы позволяют выводить в окно схем названия и значения элементов схемы, номера узлов, а так же напряжения в узлах и токи в ветвях и мощность, выделяемую на элементах схемы.
Повторным нажатием на пиктограмму напряжений в узлах отменяем вывод на экран монитора значений напряжений, а активизацией пиктограммы — отображения токов в ветвях, выводим на монитор значения постоянных токов в ветвях. Подтверждаем выбранный вариант выводимых параметров нажатием копки ОК.Убеждаемся в соответствии требуемых по заданию и рассчитанных (рис. 6.16) значений токов (при расхождении больше чем на 0,05 мА необходимо проверить правильность параметров введенных компонентов и их соединение).
Выбрав соответствующие ухты, входят в режим анализа переходных характеристик, используя в меню главного окна команду Analysis и подменю Transient (рис. 6.17) (или сочетание клавиш Alt+1). <
В подменю Transit Analysis Limits выбираем пределы анализа во временной области таким образом, чтобы исключить временой участок,соответствующий нестационарному процессу, в узле 2, на нагрузке эмиттерного повторителя.
Моделирование проводится в течение 100 мкс, что задается в окне Time (МП§е’ величина максимального шага интегрирования принимается I нс aximum Time Step), значение рабочей температуры принимается равным зна НЭТН°й (Temperature) Способ изменения (в данном случае не имеет биг^е.НИЯ^ ~ линейный (Linear). Способ сохранения результатов расчетов вы-Ния^Тся Зычный (Normal) — без записи на жесткий диск и без использова-
® Дальнейших расчетах результатов моделирования
1еРез аЧадьныс значения переменных (напряжения на конденсаторах, токи МечаяИЧДУктивности) State Variables принимаются равными нулю (Zero). По-состя <Галочк°й» Operating Point обеспечиваем расчет значений постоянных Пом ВЛЯ|°Ших напряжений и токов в узлах и ветвях принципиальной схемы. нцИь^ая Operating Point Only ограничиваем расчет только величинами посто-Па.к .Х СОставляюших напряжений в ухлах и токов в ветвях. На начальных эта-aiJJHHHoro эксперимента затруднен выбор требуемого масштаба выводи-
-----д.--••**•-*• f«Z </V M f
ОМкго-Cap B.1.0.0 Evaluation Version • (C:VAC8DEM0\DATA\Vgeter.CIR)________________________ '/(& rfc
I F b rd» :o <№«•* *”>>’ VW in*M Drax DC -X«y •*- *
* JUBBR < • > * i <t>p . ♦ c -TlO-fliP G;g%<> I t> ’•.
fV^T" \«8-P 1 Ж--Г. •CDXtfK’-’c -I* M <gCr
*•'лусд * '•*>' >оу*п» ГйЬЛ<Е1 j • Me- n Mero-Gap «Laa B*C3" i
Рис. 6.16
<! M’j
Рис. 6.17
Рис. 6.18
мых на экран кривых ЭВМ и, в этом случае, помечают Auto Scale Ranges (автоматический выбор масштаба). Приведенные на рис. 6.18 сведения приказывают, что на экран будет выводиться два отдельных графика (Р). В первом графике по оси абсцисс откладывается время (Т) только (XExpression) в интервале (XRange) 9,5 — 10 мкс с интервалом для сетки через 1 нс. По оси ординат откладывается напряжение в узле 2 (YExpresion V(2)). Пределы выбраны (YRange): максимальное значение 0,4 В, минимальное значение — 0,4 В, с шагом сетки 0,2 В.
Спектр напряжения в узле 2 получается применением процедуры прямого преобразования Фурье к полученной временной зависимости. Параметры преобразования (временной интервал, количество учитываемых гармоник и др.) задаются из подменю Transient Analysis Limits (рис. 6.18) нажатием на кнопку Properties (свойства) с поледующим выбором закладки FFT (прямое преобразование Фурье). На закладке FFT (рис. 6.19) необходимо ввести:
• верхний предел временного анализа (Upper Time Limit); \
• нижний предел временного анализа (Lower Time Limit); 1
Рис. 6.19
446
Глава вторая. Описание лабораторных раоот по и с и г щи
• количество точек на временной завимости, используемых для выполне. ния дискретного преобразования Фурье (Number of Points, задается аи типизацией строки после нажатия кнопки раскрытия окна); '
• число учитываемых гармоник (в рамке Auto Scaling) с (помечается га.
дочкой) постоянной составляющей или без нее. В
Примечание: увеличение количества точек для вычисления спектра при-водит к увеличению времени расчета; слишком малое число выборок снижает точность расчета и может приводить даже к неверным результатам. Для условий (рис. 6.19) время анхтиза составляет 15—20 с.
Второй (рис. 6.18) график (Р) отражает на экране монитора ампплитуд. ный спектр (YExpression) напряжения в узле 2 Harm(V(2)). По оси абсцисса этом случае откладывается частота (XExpresion F) в пределах от нуля (1Е-56) до 20 МГц с интервалом для сетки 5 МГц. Амплитуда гармоник (YRange) вш водтся на экран в пределах от нуля до 0,25 В с интервалом 0,05 В.
Пример временной и спектральной характеристик напряжения в узде Я для указанных пределов представлен на рис. 6.20.
'/ дуем * *=*>• ~t» neiPwFET) - Я.с 3 • НЧ о МосК< 8 L О .
Рис. 6.20
Амплитудный спектр тока транзитора Q2 генератора получаем поЛУ^ аналогично предыдущему, введя в качестве элемента, с которого сним3 форма тока, резистор R11 (рис. 6.21). Н
В этом случае, последовательно входя в меню Analysis главного окна К тем в режим Transit. на выпадающем подменю Transit Analisis Limits з^
пределы анализа и тип выводимых зависимостей в соответствие с рис. 6.22 (нажатием на кнопку Add в подменю Transient Analysis Limits можно добавить число строк и затем провести коррекцию выражений, выводимых на печать, и пределов анализа).
|а.15 С’5006
|ИП0&2
T Henge
H-llDi
Transient Analysis Limits
100000
И21 |»FWJ
R^C^icrw |Чо*л^
no
Г* DpsaUxjPortOrJy Г~ Auto Sc*e Rery»*
( Едеыас*
10*г.Я5*4Ле-Э
|10»<а5е*)е-9
Рис. 6.1Z
448
Iлава вторая, иписание лаоораторных раоот по мс и гнру
Переходные характеристики и амплитудный спектр выходного напря; ния гетеродина для различных значений емкости СЗ получают, исполь описанную ранее методику (рис. 6.18, 6.20). В подменю Transient Anal Limits, нажатием кнопки Stepping входят в режим пошагового изменения । бранного параметра. 1
Активизацией режима Stepping переходят в режим многовариантного а лиза, позволяющего в расширенной версии МС8 изменять, по выбранн< закону, параметры компонентов (активных и пассивных), параметры завя мых и независимых источников сигналов. При этом могут одновременно меняться до двадцати параметров. В ниспадающем меню (рис. 6.22) вы* варьируемого компонента осуществляется нажатием на кнопку раскрьг окна в строке What Step (рис. 6.23).
Рис. 6.23
Нажатием на левую кнопку мыши производим выбор компонента и зап указываем нижний (From) и верхний (То) пределы его изменения и величи шага (Step Value). Затем в рамке (Step It), нажимая на кнопку Yes, подтве ждаем вариацию параметров выбранного компонента. В рамке Method от* чаем кнопкой закон изменения (Linear — линейный, Log — логарифмическ или List в соответствии со списком). В рамке Parameter Туре кнопкой поме1 ем вид варьируемого элемента: Component — компонент или Model — моле,
В рамке Change (изменение) выбирается (помечается точкой) спосоо * менения шага варьируемых элементов: в каждом из вложенных циклах nj граммы (Step variables in nested loops) или всех подлежащих изменению па| метров одновременно (Step all variables simultaneously). В первом случае cyU ствует возможность независимого выбора шага для каждого параметра-: втором случае необходимо изменять варьируемые параметры с одинаков* шагом, что ограничивает анализ всего одним возможным вариантом. Кно в нижнем ряду All On, All Off включают режим варьирования (Step It) пя численных на всех закладках в режиме Stepping параметров. Кнопка предлагает, как возможные, использовать текущие значения варьируемого раметра. Подтверждение выбранного режима анализа и вход в него осуше**1
лаопраторная pafwma X? 6
449
Рис. 6.24
ляется нажатием кнопки ОК. Для варианта значений емкости СЗ. указанного на рис. 6.24 получается семейство (рис. 6.25) кривых (последовательно войдя в режим Transient и затем Run).
Проделайте аналогичный машинный эксперимент изменяя значения емкости СЗ от 15 пФ до 30 пФ с шагом в 5 пФ. Определите точное значение час-
Рис. 6.25
тоты, соответствующее каждому значению емкости. Точное значение генсд русмой частоты определяют активизацией кнопки Peak на панели инструм^ тов (рис. 6.25). При этом выделяется цветом (обычно серым) одна из криц на первом рисунке и появляются метка с указанием наибольшего значен] выделенной переменной в некоторый момент времени. Активизируя оц второго графика получаем максимальное значение амплитуды первой гари ники, на выделенной цветом кривой, амплитудного спектра. Возвративши^ первое окно, активизируя другую кривую, и, проделав указанную выше п следовательность действий, получим точное значение частоты для другого» ловия (например, другой температуры, рис. 6.23). 11
Исследование влияния резистора R5 цепи делителя напряжения во bxq ной цепи транзистора Q2 генератора проводят аналогично предыдущему J перименту, выбирая в качестве варьируемого компонента R5 с шагом 100 Ом в продрежиме Stepping (рис. 6.26).
Рис. 6.26
В отчете привести полученные в этом эксперименте зависимости.
Исследование влияния температуры окружающей среды на свойства г родина проводят во временной области с использованием спектральные рактеристик выходного сигнала. Для этого в меню главного окна выби! Analysis, подрежим Transient и, на выпадающем подменю (рис. 6.27), н ем кнопки List в строке Temperature задают значения температуры, при рых будут производить исследование. Диапазон изменения температур ся в формате: наибольшая, наименьшая в градусах Цельсия.
При изменении температуры изменяются параметры компонентов, шие ненулевой температурный коэффициент, а также ряд параметров проводниковых приборов.
Пример расчета временных зависимостей и амплитудного спектра 1 коллектора транзистора Q2 для значений температуры, указанных на рис. ® приведен на рис. 6.28. Д
f/ttuvinu j «У (7
451
-r:
YExptessor
|?>€ 1e56 5e6
Ioi.oJg?
Transient Analysis Limits
roSmSSjT?
E,^’Opu/e SU»V«Htfei P O^ealrg Pcr*i П CperafnqPoirt Cr^ Г Autoicxfc Parget
X R arge
_b±_J
КэмъЫ
I УРалу J > | | 0 4 <1 < C 2 Г
fo 15 -0 15.0 C5 |0 25.0.'i05 И
e
Рис. 6.27
ХЕж;<емюп
pToi
|н*Ч<(2И
Рис. 6.28
ш м
X
расчет аналогичных характеристик для значений температуры. Меце Ных в п. 2.2.6 и оцените сдвиг частоты генерирумых колебаний при из-tv ' ии температуры.
*34
ЖУ1С4ОЫ OIIIUfJUJ99 t/IIMtUIIMV w< U СМ.Ч |SM<S<Zfft •««/ M M Л ЛЛу/
5 Содержание отчета
5.1. Цель работы.
5.2. Принципиальная схема исследуемого каскада. fl
5.3. Исходные данные для расчета. fl
5.4. Расчеты, проведенные в соответствие с разделом 2. Результаты ру»Л го расчета (пункт 2.1 должны быть включены в п.2.2.2).
5.5. Распечатки результатов машинного эксперимента с вычисленными t* ним значениями амплитуды, частоты.
5.6. Краткие выводы.
6 Вопросы для самопроверки Я
1. Назначение гетеродина. В приемниках какого типа он используетсяЯ
2. Назовите условия возбуждения колебаний в автогенераторе? В
3. Каковы схемные реализации ^ртогенсраторов?
4. Какое назначение блоков исследуемой принципиальной схемы?
5. Какие элементы принципиальной схемы определяют частоту генерй* русмых колебаний?
6. Назовите причины нестабильности частоты колебаний автогенератои
7. Какие меры приняты в исследуемой схеме для повышения стабилы» ста частоты генерируемых колебаний?
8. Как влияет режим по постоянному току транзистора автогенератора частоту колебаний? И почему?
9. Какие известны способы изменения частоты автогенератора?
10. Какие способы перестройки автогенераторов используются чаще вр* альных конструкциях? ^fl
7 Краткие теоретические сведения 1
7.1 Комплексное уравнение генератора 4
Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, пр разуюшее энергию источника питания в энергию колебаний. Источником тания обычно является источник постоянного тока. Независимо от сп<Х реализации и назначения автогенератор должен иметь: источник пита' усилитель и цепь обратной связи (ОС). Усилитель резонансного типа ется на биполярных транзисторах (БТ), полевых транзисторах (ПТ) и ЯР* грузка усилителя — колебательная система, являющаяся одновременно ментом цепи внешней ОС.
Автогенератор, находящийся в стационарном режиме, представляет . нелинейный усилитель, для возбуждения которого используются колсЧ вырабатываемые в самом генераторе. J
Колебания берутся из колебательной системы усилителя и пере Л на его вход по цепи ОС. Если амплитуда и фаза, поступающих на вхоД!
Лабораторная работа № 6
453
Рис. 6.29
пителя, удовлетворяют определенным условиям, то возникают автоколебания (внешнее возбуждение отсутствует). В момент запуска в колебательной системе автогенератора возникают свободные колебания, обусловленные включением источника питания, замыканием испей, электрическими флуктуациями. Благодаря положительной обратной связи (ПОС) первоначальные колебания усиливаются, т. е. энергия, запасаемая в колебательном контуре будет больше, чем расходуемая. На первом этапе, когда амплитуда колебаний мала, система может рассматриваться как линейная. С ростом амплитуды проявляется нелинейность вольтамперных характеристик (ВАХ) активного элемента (АЭ) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуды прекра
щается, когда усиление уменьшается до значения, при котором энергия, отдаваемая за период колебаний в колебательный контур, равна, расходуемой за это время.
Наиболее важными для анализа свойств автогенератора являются: механизм возникновения автоколебаний при запуске автогенератора и устойчивость стационарного режима. Активный элемент (ПТ, БТ) вместе с колебательной системой составляют резонансный усилитель, обеспечивающий Фильтрацию. Для стационарного режима АЭ — нелинейное устройство, выходной ток которого, обладает большим количеством гармоник. Колебательный контур подавляет высшие гармоники, обеспечивая на выходе гармониче-vKoc напряжение. Обратная связь может быть организована с использованием са,ней цепи (двух- или 4-полюсник) или за счет процессов, протекающих
АЭ и создающих статическую или динамическую отрицательную про-"ЗДИМость, компенсирующую потери в контуре.
л °6щем случае коэффициент усиления по напряжению усилителя К яв-я Функцией частоты со и амплитуды U,
К (<o,Ut) = Н2- • к,
(6.30)
ачп.^1Я ,фиксиРованной частоты генерации K(U,) является только функцией еТся колебаний Ц|в Коэффициент передачи 4-полюсника ОС определи-
М«>=£ •
(6.31)
l.taea вторая, описание лииоритирпосл рииигп пи vzv и с upj
В стационарном режиме автогенератора коэффициент усиления К и эффициент передачи цепи ОС являются взаимно обратными величина;
К(ф,Ц() -fi«(<o) = 1.
(6.
Уравнение (6.32) является комплексным уравнением генератора, от жаюшим тот факт, что комплексный коэффициент передачи по замк кольцу равен единице. Так как коэффициент передачи цепи ОС не зависит амплитуды колебаний, (6.32) позволяет получить значение амплитуды yen’ вившихся колебаний при заданном Д
Простейшая схема автогенератора на ПТ с трансформаторной ОС п ставлена на рис. 6.30. II
Разделительный конденсатор Ср обладает большой емкостью и на час сигнала может считаться коротким замыканием. Напряжение, приложенн затвору за счет ОС (затвор—исток) и снимаемое в нагрузку (сток—исток) зываст на включение ПТ по схеме с общим истоком, а значит фаза выход) напряжения сдвинута по отношению к входному на 180’. То есть для по/ ния ПОС сдвиг фаз в пассивном 4-полюснике должен составлять 180’. д
При разомкнутой цепи ОС автогенератор можно рассматривать как | нансный усилитель, охваченный ПОС (рис. 6.31).
Для малой амплитуды входного воздействия с частотой примерно р® резонансной и при отсутствии ОС одноконтурный резонансный усилитель рактеризуется коэффициентом передачи I
К(0 = -
Ко
1 2Afn
I + -7- Q, то
где Ко — коэффициент усиления каскада на резонансной частоте;
2df/f0 — относительная расстройка;
Q, — эквивалентная добротность колебательного контура.
Рис. 6.31
Введение ПОС увеличивает коэффициент усиления каскада, вследствие
того, что в колебательном контуре компенсируется часть потерь, увеличивая добротность контура. Для частотно независимой ОС = р0 коэффициент усиления каскада, охваченного ПОС
^(0’ттЬ=
-Ко/(1-р„Ко)
1 + jQ, (2Д f/f0)/(l-р#К0) ‘
(6.5)
Увеличение эквивалентной добротности в усилителе, охваченном ПОС
QJOc = Q,/(i-₽.:Ko)
(6.6)
приводит к сужению полосы пропускания колебательного контура (повышению стабильности частоты автоколебаний), т. е. к снижению внешних влияющих факторов на генерируемую (частоту температура, влажность и др.). Благодаря существенному повышению эквивалентной добротности за счет ПОС, даже при значительной нелинейности проходной характеристики ПТ. напряжение на колебательном контуре и затворе оказываются почти гармонически-ми Хотя спектр тока стока ПТ может содержать большое число гармоник, напряжения на затворе и стоке будут мало отличаться от соответствующих пср-гармоник. Это позволяет провести анализ работы автогенератора, тавив уравнение для комплексных амплитуд по первой гармонике на час-автоколебаний. На основе уравнений, описывающих автогенератор мож-авт°ЦеННТЬ условия самовозбуждения, амплитуду и частоту установившихся °лебаний,исследовать переходные процессы и др.
7.2 Стационарный режим автогенератора
фоРм "^-ная схема автогенератора по переменному току на ПТ с транс-L ®т°Рной ОС представлена на рис. 6.32.
1«ели соответствие с обобщенной схемой автогенератор (рис. 6.32) состоит из °6ecrie 11*°^ части (ПТ), служащей дзя усиления колебаний и линейной, L ‘йвающей выделение первой гармоники полезного сигнала (колеба-
456
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
тельный контур) и цепи ОС (катушка связи). Связь между первыми гармон* ками токов и напряжений
। . “ L*iZt,» <6.7)
Ии-йДи (6’1
Учитывая, что
а. = -Им (бл
комплексный коэффициент передачи цепи ОС
Boc’^/U,. (*>
Для автогенератора (рис. 6.32)
Ц. - 11
Г + jwL
где М — величина взаимоиндукции, г — потери, обусловленные собственными потерями в контуре (в основном в катушке индуктивности) и потеря® внесенными в контур (входное и выходное сопротивление ПТ). Поэтому
н =М______!___ (6.12
L I - r/wL ’
Дтя реальных условий, когда добротность контора достаточно всЛИ (Q,»|.r->0)
IL * Р« = M/L (6-1
Решая совместно уравнения (6.7, 6.8), получаем
Ui-PZAr
Дтя стационарного режима значение амплитуды тока стока и ампЛИЗд входного напряжения первой гармоники на затворе Щя) связано соотйОв нием
le,=S,r(U„)L,t.
где ScpdL) — усредненная по первой гармонике тока стока крутизн
ной характеристики ПТ, зависящая от амплитуды первой гармони жения на затворе.
лаоораторная работа № 6
457
Если не учитывать инерционные свойства ПТ, обусловленные реактивны-параметрами канала, распределенными емкостями между затвором и исто-м11 затвором и стоком, подложкой и стоком и истоком, а так же индуктив-К<ктями выводов, что справедливо в достаточно большой области частот, то
(6.16)
। фаза тока стока транзистора совпадает с фазой напряжения на затворе.
11 в обшем случае, с учетом несинусоидальности колебаний напряжения на затворе- крутизна является комплексной величиной и комплексное уравнение генератора с учетом (6.14) принимает вид
ScpBocZ,-! (6.17)
Записывая уравнение в показательной форме
- s^;
Сое =
и подставляя их в (6.17), получаем
I + Фвс ’ Фг) = 1, (6.18)
что равносильно:
условию баланса амплитуд S^p^Z,= 1; (6.19)
Условию баланса фаз Ф<т> + Фос + Фг = О» 2л, — (6.20)
Условие (6.19) называется условием баланса амплитуд и показывает, что 4714 автогенератора в стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому контуру равен единице. Поскольку внешняя цепь (Z, и рк) является • инейным устройством, не зависящим от амплитуды приложенного напряже-*•*. то амплитуду стационарных колебаний определяет лишь усредненная *РУтизна
= 1/PKZ3. (6.21)
t с *1астота генерируемых колебаний близка к частоте свободных колебаний, Х)Ча 1 * эквивалентному сопротивлению колебательного контура на рс-Нсной частоте и с учетом (6.13) <о = 0, то (6.21) принимает вид
scp= l/pKR,= L/MR., (6.22)
тО1Ь^ГДа Sq, не является чисто действительной величиной, зависящей не °т амплитуды, но и от частоты стационарных колебаний, а вследствие
458
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
неполной фильтрации высших гармоник и R, становится комплексной вслц, чиной (2Э), амплитуда стационарных колебаний в этом случае находится Л тем совместного решения уравнений (6.19) и (6.20). Jfl
Величина амплитуды стационарных колебаний определяется графцЛ ским решением уравнения (6.21), как точка пересечения усредненной по пеЗ вой гармонике характеристики крутизны и прямой, определяющееся Qa (рис. 6.33).
и31
Уравнение для баланса фаз (6.20) означает, что сумма всех фазовых сдвм« гов при замкнутой цепи ОС автогенератора составляет 0, 2л, ... . В общем сЯ чае для колебательной системы со многими степенями свободы баланс фа» может выполняться одновременно на нескольких частотах,т. к. каждое слагх-мое (6.20) зависит по-разному от частоты. В этом случае возможна многочи тотная генерация (на некратных частотах). На относительно низких частота» для генераторов с одиночным колебательным контуром условие (6.20) ояВ значно определяет частоту колебаний.
Таким образом, существование стационарных колебаний в автогснераЛг возможно при выполнении одновременно двух условий:
• баланса фаз, определяющего возможную частоту генерации, создан^ необходимых фазовых сдвигов в усилителе и цепи ОС;
• баланса амплитуд, определяющего глубину обратной связи, необхо* мую для существования стационарных колебаний.
Очевидно, что включением в цепь ОС частотно-зависимого элемента* Ж гулируюшего фазовый сдвиг о.к, можно изменять частоту генерации. в
7.3 Стабильность частоты автоколебаний 4
Высшие гармоники тока стока создают на колебательном контуре • торое падение напряжения, вследствие чего напряжение на контуре, * чит и на затворе, становится несинусоидальным. Это приводит к асИ' рии импульса тока стока, что объясняется рахшчными свойствами кв
Лабораторная работа 6
459
льного контура для основной частоты (чисто активное сопротивление) и Те стих гармоник (почти чисто реактивное). Это создает при недостаточно высокой добротности колебательной системы фазовый сдвиг в усилителе, тпИчный ОТ Л.
° ' Инерционность процессов в ПТ, отражается присутствием в его эквива-нТной схеме реактивных компонентов: емкостью сток—исток Сси, затвор— pyok Сх и затвор—исток Сж. Это означает, что вследствие инерционности Процессов в ПТ баланс фаз будет выполняться на частоте генерации со, отличной от частоты резонанса <ор. Дополнительный фазовый сдвиг в ПТ должен gy-p, скомпенсирован противоположным по знаку и равным по величине сдвигом фаз в колебательном контуре (если баланс амплитуд выполнен)
(6.23)
Ф ,= “<?, = arctg
э
т. е. компенсация фазового сдвига в ПТ ср , приводит к отклонению частоты генерируемых колебаний
— =^-- (6.24)
2Q,
Изменение времени пролета электронов в канале ПТ при колебаниях напряжения на стоке приводит к отклонению частоты автоколебаний о», * <ор (рис 6.34).
Ров HenfiЛа следУет> что Для повышения стабильности частоты автогенерато-х°Димо иметь колебательные системы с большей крутизной фазовой ‘<ЦеРИсти«’ (высокой добротности), что при одинаковом <р , приводит к У отклонению частоты До.
460
Глава вторая. Описание лабораторных раоот по ис и i ups
7.4 Режимы самовозбуждения колебаний
Режим самовозбуждения колебаний определяется положением рабочей точки на проходной характеристике ie = Ци^).
Мягкий режим самовозбуждения
Вне зависимости от технологии изготовления ПТ характер динамической проходной характеристики имеет вид (рис. 6.35).
Как видно из рис. 6.35, для рабочей точки, выбранной на наиболее крутой участке проходной динамической характеристики, увеличение амплитуды пряжения на затворе сопровождается изменением формы тока стока ПТ Огр»' ничение максимального значения тока ic сверху и отсечка снизу указываем уменьшение содержания первой гармоники тока стока в выходном спектре,1 значит и, усредненной по первой гармонике тока, крутизне (рис. 6.36).
Колебательная характеристика — зависимость первой гармоники т*** стока Icl = f(U,() от напряжения на затворе (рис. 6.36) — с ростом змплИ1^1 напряжения на затворе становится более плоской, а значит, и уменылаДМ средняя крутизна Scp. Для малых амплитуд напряжения на затворе знаЧЯИ крутизны динамической характеристики совпадает с крутизной (So) про i ной характеристики. Значение средней крутизны (Scp) для любой амплЦ напряжения на затворе определяется углом наклона колебательной хараК^Я стики (рис. 6.36а), соединяющей точку А с началом координат Н
SCp =
Для выбранной рабочей точки увеличение напряжения на затворе пр*в дит к уменьшению средней крутизны Scp, что соответствует мягкому самовозбуждения. Колебательная характеристика (L.=f(U3l), рис. 6.36)
Лабораторная работа Л* 6
461
строена совместно с прямой ОС, определяющей амплитуду стационарных колебаний U,,* через параметры линейной части схемы автогенератора (6.14)
(626)
откуда получаем уравнения характеристик ОС.
Учитывая, что в стационарном режиме существует баланс фаз (6.20) и об-
ратная связь является частотно-независимой (6.22), прямая ОС
= и с| MZ, ”
Точка пересечения А (рис. 6.36) прямой ОС и колебательной характсри-
&.21)
ГСРп^ения на затворе U* ссли М < М
с амплитудой на-а»кн соответствует **тоя"’^Й'о. » '“''Хлустойчивым <U,i ” °’’
- м„ SZX если М < И неустойчивым при * на итворс и„ > и <н н
«ос возмущение любого хара^Р ’ ие тоКа Мс1, которому cool чТО
Лиловые шумы), вызывает npi Р цое по характеристике устой-
ьое (большее) значение U,„ °npcA^^ro равновесия в состояние у «феводит точку О из состояния неустойчиво
Живого динамического равновесия
Используя соотношение (6.15)
' S“(U,')l)„сжима „рааиФФе^'"1’0"30 условие устойчивости стационарно
*4.
Ч'.. dU,,
dS
= u>dU
(6.28)
462
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Для стационарного режима (U3| > О, Scp > 0) устойчивость (dIcl/dU31 =п| может быть достигнута лишь при условии в
^<0. dU„
(6.29)
Стационарный режим является устойчивым, если в точке пересечения к» лебательной характеристики и характеристики ОС, крутизна колебательно! характеристики окажется меньше крутизны характеристики ОС:
dip < к.
dU3l U3l '
(6.30;
Рис. 6.37
Как видно из рис. 6.37, мягкий режим самовозбуждения автоколебанм характеризуется плавным увеличением амплитуды стационарных колебани при величине связи М > Мкр Уменьшение связи приводит к постепенном)' уменьшению амплитуды стационарных колебаний и срыву автоколебательного режима при М < Мкр.
Жесткий режим самовозбуждения
Выбор рабочей точки вблизи нижнего загиба динамической проходно» характеристики (рис. 6.35) приводит к сложному характеру изменения коле»" тельной характеристики (характеристики средней крутизны, рис. 6.38).
Точка устойчивого равновесия (О, рис. 6.38) может перейти в точку Я тойчивого динамического равновесия при выполнении условия (6.30), кот» значение ОС окажется больше Мо, а средняя крутизна меньше So (рис. 6.38»
Существование ПОС приводит к резкому росту амплитуды напряжен первой гармоники на затворе от значений, определяемых флуктуацией напрт жения, до U*31 (при М = М *). Увеличение ОС уменьшает 1С„ а уменьшений к увеличению 1С1 до значений, при которых глубина ОС соответствует рис. 6.38) и срыву автоколебаний при дальнейшем уменьшении М. J
Для промежуточных значений М (Мкр < М < Мо) автоколебательная <4 тема находится в состояния динамического равновесия, создавая область» тягивания (рис. 6.39). J
Возникновение колебаний возможно не только при обеспечении МЛ но и случае кратковременного воздействия в базовой области с амплитрв превышающей значение неустойчивого динамического равновесия
Лабораторная работа № 6
463
Рис. 6.38
Рис. 6.39
«те. 6.38). В аиюколебз^ьвой системе
амплитуды колебаний до значения, опреде t
динамического равновесия. /ч^и^ппбпазным возник-
Таким образом, жесткий режим^^^дчкообразным срывом колеба-новением колебаний при увеличении ОС и Р аний.
ний при значениях ОС меньших, чем при воз у
К" 7.5 Трехточечные схемы автогенераторов
Обобщенная схема автогенератора на ПТ представлена на рис. 6.40а.
Поскольку в качестве элементов схемы Zi. Z?_ Zj используются конденса-и индуктивности, обладающие сравнительно малыми потерями, то схема
а) 6) в)
Рис. 6.40
464
Глава вторая. Описание лаоораторных раоот по ис и гирл
автогенератора приобретает вид 6.406 = jX|t Z2 = jX2, Zj = jXj. Схема
генератора содержит усилитель с коэффициентом усиления
К-Ы^.Ке»., Jj
— 3
и цепь обратной связи, образованной делителем X, и Х2, IJ X
‘ Ш - 5^7x7 • М
Для заданного коэффициента передачи цепи ОС условие баланса амцЛ туд = 1 обеспечивается выбором типа активного элемента и его режд работы, подбором параметров колебательного контура.
Частота автоколебаний близка к резонансной частоте, на которой напд жение на затворе U, и стоке Uc противофазны. т. е. ф, = я. Таким образец дтя выполнения баланса фаз ф, + фос= 0, ±2х, ±4я, необходимо, чтобы цец ОС создавала фазовый сдвиг ф,к = ±я.
В этом случае, как следует из (6.32) должна быть чисто активной на рицательно величиной
jX2 1
jX.+jX, l^X./X,
(6.33)
что может быть лишь при условии, что реактивности X, и X, противопамж
ного характера:
*•< о
х2
и выполняется условие
> 1, т. е. |Х,| > |XJ . «
Частота автоколебаний, на которой выполняется условие баланса фаз.* рсделяется из соотношения V
X, + X, + X, - 0. I
Как следует из (6.35) равенство (6.36) может выполняться лишь при УЯ вии однотипности реактивностей Х2 и Х3 (должны быть одновременно Ч емкостям, либо индуктивностями, рис. 6.40о). Включая реактивности X: в одну ветвь получаем схему (рис. 6.40d). содержащую емкостной (схема емкостной трехточки) или индуктивный (индуктивной трехТвв Учитывая прети вофазность напряжений на затворе U, и стоке Uc среднЯЯВ ка делителя соединяется с истоком, создавая встречные токи в ветвях с оДЧ ковым типом реактивности.
лабораторная работа j\$ 6
465
7.6 Автогенераторы на биполярных транзисторах
Отличительной чертой БТ по сравнению с ПТ является относительная ционность процессов в транзисторе, обусловленных в основном конеч-lt нименем пролета неосновных носителей зарядов через структуру базы. К-*дствие.м этого является комплексный характер средней крутизны транзи-(в отличие от 6.22) и появление частотной зависимости у входных и вы-СТ°нЫХ сопротивлений, которые уменьшаются с ростом частоты. Поэтому, в тичие от автогенераторов на ПТ. где для анализа его свойств можно ис-0Т'Пьзовать статические характеристики, их применимость дтя БТ ограничена ^.пастью частот f < ft/2, где f$ — частота, на которой модуль крутизны транзистора уменьшается в Л раз по сравнению с крутизной на низкой частоте S° и ток коллектора I. сдвинут по фазе относительно напряжения между базой и эмиттером Ue, на угол больше 45'.
Для анализа свойств БТ часто используют физическую модель БТ — эквивалентную схему Джиаколетто.
Крутизна коллекторного тока на эмиттерно-базовом (Э—Б) переходе So= I«/LLn связана со своим значением на низкой частоте Sn° | S 0
С —
(6.37)
а — коэффициент усиления тока эмиттера а = 1^/1, связан аналогичной симостью со своим низкочастотным значением а0
а0
(6.38)
Нан Ь1Холно^ ток 1« определяется напряжением на переходе Ц, (рис. 6.41). оццой 1<ИХ Частотах влиянием емкости С6э (являющейся в основном диффузи-д°В) костью, вследствие накопления в базе неосновных носителей заря-и rt С*Н° Прене°Рсчь и коэффициент передачи входной цепи зависит от г6э ^*eHbii ^величением частоты шунтирующее действие С6э возрастает, что "Эет НапРяжение на переходе Ц,, выходной ток 1« = а значит и
L У транзистора
L _UnL LJ*» и6эип
К0 Sr° п
1 + jf/f, 1 + jf/fo ’
LL, U^U
(6.39)
i диви втирая. иписипив лаооратирных раиот по С/С и Г11рУ
где К = и„/Ц-,, — коэффициент передачи входной цепи;
К3 = r6 j(r6 + r6j) — коэффициент передачи входной цепи на низкой j тоте.
В генераторных режимах (работа при больших эмиттерных токах) осц ное влияние на снижение коэффициента передачи оказывает шунтирукц действие Б—Э перехода, поэтому для рабочих частот (f < fa), можно приб жен но считать Я
s=(6, где фп - -f/t — фазовый сдвиг между коллекторным током и напряжение! переходе учитывает запаздывание коллекторного тока
«4-
(О 2nfa
Подставляя (6.40), (6.41) в (6.39) получаем
5 - гтжs"’//fa' м
что, в отличие от (6.16), указывает на необходимость учитывать дополните® ный фазовый сдвиг в БТ (в отличие от ПТ) в большей части рабочего лиат-зона частот при проектировании генераторов.
Емкость Ск6 также вызывает ухудшение частотных свойств транзистор вследствие паразитной ОС в БТ и оказывает заметное воздействие в обллсп верхних частот.
Описывая БТ (рис. 6.41) как 4-полюсник системой Y-параметров, полу* ем
где YH — входная проводимость (UtJ - 0);
Yl2 — проводимость обратной передачи (Ik = 0); "
Y21 — крутизна транзистора (U,,, = 0);
Y22 — выходная проводимость (Ц,э = 0).
Входная и выходная проводимости являются комплексными (паралле^ нос соединение активной и емкостной составляющих).
Линейный трсхполюсник, подключенный к БТ (рис. 6.42) можно опис®*
используя систему h-парамстров
1k = М, + hl2 (64
L = + tb 1k. (61
где hH — входное сопротивление колебательной системы, при ию = 0?
то обозначать Z^',
hl2 = h2l — коэффициент трансформации, вычисляемый либо как
К = Lie,, /LU, при Ь = 0, либо К = I< /L, при Цж = °-tb2 — комплексная проводимость колебательной системы.
Лабораторная работа JVp 6
467
а) б)
Рис. 6.42
с учетом hu = hu = Ьл = К Ьа = MZ,. уравнения (6.44) и (6.45) имеют вид
LL - “4 L + К (6 46)
Ь-КЦ + Цж/Ь. (6*47)
Разрешая уравнения относительно 1^, и Ц,,, и учитывая, что Цж = -Щ, подставляем (6.46), (6.47) в (6.42) и (6.43), получаем комплексное уравнение генератора в стационарном режиме:
I Z, (К S, - К2 Хи - Ха (1 + 4Х,)) ~ ZeY.. - 1, (6.48)
где параметры транзистора усреднены по первой гармонике. Выделяя действительную и мнимую части уравнения (6.48) можно получить уравнения, аналогичные балансу амплитуд и фаз (6.19) и (6.20), позволяющие находить амплитуду и частоту стационарных колебаний.
Для обобщенной трехточечной схемы автогенератора
но n НИзкочаст°тных автогенераторах (f < f,/2). фазирующий элемент обыч-Ж^Ует (^ = 0) и |Z2| S 1Д Y (l|, поэтому IZYu I « •• Пренебрегая вы-и Проводимостью Y n = 0, комплексное уравнение автогенератора
Е ZJ<(Sl-KYIl)= 1. <6-49)
линейно-ломанную аппроксимацию проходной и входной ха-и’,Кеи«СТ11к транзистора получим параметры, усредненные по первой гармо-
Низкой частоте
S, = S°y, (0), Y„ = S>,(0), крутизна проходной динамической характеристики транзистора:
puuvm пи tyv И гнру
Se° — крутизна входной динамической характеристики транзистора;
Yi(0) ~ (• - cos0)a,(O),
где аДО) — график Берга по первой гармонике для угла отсечки О;
cos О = (Ео - Е)/иб, Я
где Е„ — напряжение отсечки; Е — напряжение смещения; Ue — амплитЛ напряжения между Б—Э. Тогда выражение (6.49) принимает вид
ZK(Se-S°6>y,(0)=-l.
Для высокочастотных автогенераторов средняя крутизна транзисторов* входная, и выходная проводимости являются комплексными величинами. (Ь новную роль в формировании структуры автогенератора и обеспечении уЯ вий баланса фаз и амплитуд играет крутизна транзистора, поэтому в первЗ приближении пренебрежем реактивностью входной и выходной проводи^ стей.
В этом случае (6.48) упрощается
(6.51
S.KZ,» I.
Представляя = Sle + jSlM и учитывая, что
’ । - RQ, ’
где R, — эквивалентное сопротивление контура на резонансной частоте а| Q, — эквивалентная добротность контура; £, = 2(со - со0)/о0 — относится*® расстройка, получаем
S(.R,K=l;
(6.5?
S(M RMK = Qt (бЛ
Отношение (6.53) к (6.52) позволяет найти баланс фаз ^®
= 2 0-0(1 = tg<P?l Q ’
где <р,! — S|M/S,,;
ц>1 — фазовый сдвиг 1«| относительно L^;
Фп — фазовый сдвиг между 1с| и напряжением на переходе Ц„ (6.40). В Если <psl = 0 — частота генерапии oUi если -90” < < 0, то частота кол^Ч
ний определяется условиями равенства сдвига фаз в транзисторе и контуре 1 (6.Я
Чем больше тем сильнее расстроен контур. Это приводит к сниж выходной мощности, КПД генератора, стабильности частоты генернру колебаний. Снижение стабильности связано с уменьшением крутизны <
лиииритирная расюпга .v° о
469
арактсристики (рис. 6.34) при <о * ооо. Это означает, что при изменении \"ратуры, напряжения питания, изменение частоты, необходимое для под-г?*1 ния баланса фаз,будет большим.
Если |ф,|1 > 9°*’ то генерация колебаний в схеме при К > 0 невозможна, и ^лучения колебаний необходимо изменить знак коэффициента транс-ДЛЯ мании (К < 0) и элементы Х2 и Х3 (рис. 6.40) должны иметь разные знаки. м случае генератор работает на расстроенном контуре и для устранения Б 1цчия генерируемой частоты от резонансной применяют схемы фазовой ^мпенсации.
Учитывая влияние на баланс фаз комплексной крутизны транзистора и входной проводимости, 1 .. . " ' ? В
вид
комплексное уравнение генератора (6.48) принимает
(6.55)
Если учесть, что
U и
К. т.
который отличается от уравнение (6.55) примет вид
K/d+iW’llA
(6.56)
к. Y4 * 0. Тогда с учетом (6.56) комплексное
SnZ
(6.57)
Откуда условие баланса фаз
’« = 0, ± 2л, ...
(6.59)
(6.58)
Включение цепочки Z6 (фазирующей емкости Сф, рис. 6.42 б) обеспечивает компенсацию фазового сдвига в транзисторе, создавая
Г* Фм + Ф« = о.
410 является условием полного фазирования.
Для чисто активной входной проводимости транзистора из (6.56) следует
ф« = ф« “ arctg(\,/Y,,). (6.60)
ь Для случая |<pl(| < 90° и К > 0 (<рс= 0) используют емкостное фазирование. нощ1ЧИНа соответствУюшая полному фазированию определяется из соот-
Xe = tg<p,l/Yll<0 (6.61)
Мц !1₽и ®°льших значениях фазы крутизны 90’ < -<р,| < 180’ обращенные схе-^ипД?; ф\ = 180°) включают индуктивность в базовую цепь (индуктивное ^Рование (Х6 > 0).
Ры с Ри проектировании автогенераторов целесообразно использовать конту-тц г?Ысок°й добротностью, что повышает стабильность генерируемой часто-Огц^, °Лная компенсация фазы крутизны транзистора позволяет обеспечить к ^ьные показатели автогенератора.
•f/V
I.юла вторая, описание лаоораторных pabom по ОС и РПрУ
Биполярные транзисторы, обладающие большой крутизной позв<и получить высокостабильные по частоте колебания даже при небольших ротностях колебательных систем, т. к. обеспечивая слабую связь транзистх контуром можно снизить дестабилизирущее влияние транзистора на ген русмую частоту (изменение »ptl).
7.7 Энергетический расчет гетеродина
= 6.5 В, Ц=3 мА, Uonu,= 13 В, U_=0.2 В (м
Порядок расчета.
1. Для транзистора КТ326В по справочнику [6] находим граничную ч| ту fr (fT = 400 МГц, Ргми = 250 мВт — предельная мощность рассеяна коллекторе, Ск = 5 пФ — емкость коллекторного перехода, тк = 450 пс — стоянная времени цепи обратной связи). fl
2. Задаемся UK30
мальное и минимальное напряжения между коллектором и эмиттером), ц. тивной составляющей генерируемой мощности Р„ = 5 мВт.
3. По выходным характеристикам транзистора определяем критически крутизну Stp.
4. Распределенное (объемное) сопротивление базы
5. Сопротивление эмиттера
г, = 25,6/1к0(мА).
hjb = yhjijminhjijniM ~ среднее значение коэффициента усиления * току в схеме ОЭ.
7. Коэффициент передачи тока при включении транзистора с ОБ fl
^216 = ^21, /(1 + Ь2|Э).
8. Предельная частота усиления для схемы с ОБ
9. Граничная частота по крутизне проходной характеристике транзистор
^тГэ/Гв • - '-У*
10. Выбираем угол отсечки тока коллектора 1„: 0 = 90°.
11. Для выбранного угла отсечки вычисляем коэффициенты Берга: с^. "»
<*п(0) = Тп(0)/( । " cosO).
12. = -arctg(f/fy2l).
13. Полная генерируемая мощность
Pr= Par/cosq>K. V
14. Коэффициент использования коллекторного напряжения Н
= 1 - грди^аде)). fl
г
Лабораторная работа № 6
471
|4 Амплитуда переменного напряжения на контуре
^кр^кэО*
|5 Амплитуде первой гармоники тока коллектора
| ПОНДОНД = 2Р,/и,иЮГ ПХ
|6 Модуль эквивалентного сопротивления нагрузки генератора в крити-^ском режиме
I |7. Амплитуда импульса тока коллектора
1 >« =
8. Литература
I. Радиоприемные устройства / Под рсд. Н. Н. Фомина. М.: РиС, 2003. 512 с.
2. Разевиг В. Д. Применение программ Р-CAD и PSpisce для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. В 4 выл. М.: РиС, 1992.
3. Головин О. В., Кубицкий А. А. Электронные усилители. М.: РиС, 1983. 323 с.
4. Разевиг В. Д. Система схемотехнического проектирования Micro-CAP V. М : СОЛОН, 1997. 273 с.
5. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: ВШ, 2000. 462 с.
6. Петухов В. М. Маломощные транзисторы и их зарубежные аналоги. Справ. Т.1. М.: КУБК-а, 1997. 668 с.
7. hup://\VA\AV/spectrum-soft/com/demo/html (адрес в Internet для получения студенческой версии ССМ МС).
Лабораторная работа № 14
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДНОГО ДЕТЕКТОРА
1 Цель работы I
Изучение физической модели диодного амплитудного детектора (.АД) nJ следовательного типа на основе реально используемой принципиальной схе* мы, определение основных технических характеристик АД и влияние на них параметров схемы с использованием системы схемотехнического проектирования Micro Сар 8.
2 Задание W
2.1 Экспериментальная часть И
Для компьютерной модели последовательного диодного амплитудного детектора, содержащего оконечный каскад усилителя промежуточной частоЯ (рис. 14.1) получить:
2.1.1. Амплитудно-частотную характеристику резонансного усилителя без учета влияния детектора и резонансную характеристику нагруженного уснл*’ теля. Определить значение полосы пропускания для обоих случаев.
2.1.2. Характеристики детектирования для различных значений сопропО? ления нагрузки детектора (R6 = 1 кОм, 5 кОм. 10 кОм). 1Я
2.1.3. Временные зависимости тока диода детектора и напряжения на «4 грузке детектора и соответствующие им спектры при воздействии на вхчи усилителя немодулированного сигнала для величин компонентов, указан»^ на
2.1.4. Временные зависимости напряжения на входе детектора, токаД . детектора, напряжения и его спектра на нагрузке детектора при воздеи^И на входе модулированного сигнала. Исследовать влияние сопротивления грузки на указанные характеристики (R6 = 1 кОм, 5 кОм, да).
3 Описание принципиальной схемы детектора
Исследуются свойства диодного амплитудного детектора последе* ного типа, подключенного к каскаду усилителя промежуточной частот^
Лабораторная работа Л* 14
473
Рис. 14.1
нансного типа (рис. 14.1). Усилительный каскад реализован на транзисторе । М 316 В (QI). включенного по схеме с общим эмиттером. Резисторы R2 и Ю, являясь делителем напряжения источника питания, создают требуемую величину напряжения между базой и эмиттером, вместе с резистором R4. Ре-истор R4 является одновременно сопротивлением, обеспечивающим стаби-•'Изацию режима по постоянному току транзистора за счет отрицательной об-У**0** СВЯ311 (вместе с резистором R3). Включенный параллельно ему кон-I Пе_^атоР С2 устраняет возникновение отрицательной обратной связи по '1е“”омУ току. Это позволяет, при некотором ухудшении частотных усилителя, получить больший коэффициент усиления каскада, сохра-<Мяе^СОК^*° стабильность режима работы транзистора. Нагрузкой каскада нроти Я Коле°ательный контур, с уметом внесенных в него, комплексного со-хаС'0.^1ении Детектора и выходного сопротивления транзистора. Резонансная *Угсч} Наг[1^Жснното контура равна стандартной частоте усилителей проме-Частоты радиовещательных приемников АМ сигналов — 465 кГц.
Иич О $СТ°Р Полключен к колебательной системе с коэффициентом включе-Ров г,’а’410 снижает влияние, изменяющихся под действием внешних факто-р|о МетРов транзистора на характеристики колебательного контура.
‘<1а Ус» 5Т°1* Жс пРичине детектор подключен к колебательному контуру кас-ч,,кты ЛИтсля промежуточной частоты через катушку связи L3. Так как Зле-*^ениц Ле^ательного контура LI и L2 и СЗ не обладают потерями, то для по-Редльной добротности и конечной полосы пропускания, примерно
f
lAUtSU VFIHtU/IWt ;<uuVj/WFnv^f»vi^ ^rwvufH гвчл чх w м л
Ю кГц, в контур включен резистор R7, являющийся эквивалентным сопЛ тивленисм контура на резонансной частоте. Резистор R5 вместе с резистоЯ R4 служат для получения заданного значения напряжения на коллекторе!? (5 В) и коллекторного тока !.о (4,5 мА).
Конденсатор CI выполняет роль разделительного конденсатора, а рЛ| стор Rl — выходного сопротивления предыдущего каскада (внутренне»И противление источника сигнала).
Нагрузкой детектора, реализованного на диоде Д9В, является паралцИ ное соединение С4 и R6. являющееся фильтром низкой частоты. ]^В Источником питания служит независимый источник постоянного HamJ жения (V2) величиной I2 В.
На вход исследуемой схемы может подключаться источник гармоничеЛ го или амплитудно- модулированного сигнала.
4 Методические указания по выполнению работы
4.1 Машинное моделирование
Компьютерное моделирование проводится с использованием систея схемотехнического моделирования Micro-CAPS.
Предполагается, что:
• студенты знакомы с основами работы операционной системы WINDOWS 98 (или более поздними версиями);
• имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии по, указанному в nJ настоящего описания, адресу получить инсталляционные файлы сту ческой версии программы mc8demo.exe или приобрести эту’ прог на CR дисках. \
Демонстрационная версия содержится в ZlP-файлс (ее можно рас программой PKUNZIP). Запуск программы осуществляется прогр SETUP.EXE. После завершения установки формируется папка Micro Working Demo для быстрого запуска МС8. В подкаталог MC8demo\data сятся файлы схем, имеющие расширение .CIR, и библиотеки математичеерв моделей компонентов в файлах с расширением .LBR.
После установки и запуска программы mc8demo.exe в верхней части экР5" на монитора появляется окно главного меню с панелью команд (рис. 14 21-
Меню главного окна представлено второй строчкой сверху. Оно coew из команд: File, Edit, Components, Windows, Options, Analysis, Help. строчка главного окна в подкаталоге \DATA укажет имя, присвоенное^И или, назначенное Вами, вводимой схемы с расширением.CIR, которое^ пользуется для описания схемы во внутреннем формате МС8 (вначале присваивает формируемой схеме имя CIRCUIT с некоторым порядковь^И мером, которое при выходе из программы можно заменить на любое дрУ^Ч
Применяемые в принципиальной схеме наиболее часто встречаются компоненты (конденсаторы, резисторы, индуктивности) выбираются ром (рис. 14.2) в строке основных компонентов, активируются левой кнО^Я (например, резистор) мыши и затем помещаются в выбранном месте гла0*в окна при повторном нажатии на левую кнопку. Удерживая нажатой Л^Я
лаиорапюрная раоота лр 14
475
Сэр 8.1 0.0 Evaluation Version - [CAMC8DEM0\data\drcuit1dr]
ue»P
Wire Моск
Строка кноыкп кокхмкитоа
главного окна
ГЛАВНОЕ ОКНО.ОКНО СХЕМ
(ЯВНОГО
Отыми моделей
Г
Рис. 14.2
кнопку можно вращать компонент, щелкая правой. При отпускании левой кнопки местоположение компонента фиксируется и на ниспадающем меню Resistor предлагается присвоить ему позиционное обозначение (PART), ука-Ить его величину (VALUE), а так же другие, не используемые при выполнении лабораторной работы, параметры. Присвоенные значения могут изобра-
*ать<.я вместе с компонентом в главном окне, если подсвеченный параметр помечен галочкой Show (рис. 14.3). При вводе значения параметров допуска-ется использование масштабных коэффициентов:
Ма
сим[и. ^бный коэффициент может содержать и другие дополнительные Мер .лы> которые программа игнорирует. То есть величина емкости, напри-П Может быть введена: 5 PF или 5 Р, или 5Е-12.
<Ноц °‘1ТнеР* *дением окончания ввода любого компонента является нажатие ^Пс И Если неверно введены какие-либо сведения, то нажатие кнопки отменяет всю введенную информацию о компоненте.
476
1лава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 14.3
При необходимости коррекции отдельных элементов принципиальной схемы необходимо сначала его удалить. Для этого вначале активизируют режим редактирования элементов и компонентов схемы (Select Mode, рис. 14.2). Затем, подведя курсор к компоненту, нажать левую кнопку мыши. При этом подсвечивается, обычно зеленым светом, компонент или соответсвуюший текст на принципиальной схеме и затем, войдя в меню EDIT, на выпадаюшем подменю выбирают CUT (рис. 14.4) и удаляют необходимый атрибут схемы. Альтернативным вариантом при удалении компонентов является применение пиктограммы CUT (или Ctrl-X) на панели инструментов (ножницы), которая активизируется только при нажатии кнопки Select Mode (рис. 14.2).
Ввод транзистора КТ 316 В п-p-n типа осуществляется пиктограмму си*' вола транзистора левой кнопкой мыши на панели основных компоненте» (рис. 14.2). На выпадающем справа меню (рис. 14.5) NPN:NPN Transistor pa** ка с названием Name и выключателем справа (Show, помечен галочкой) выв^" дит в окне схем сообщение о том, что это позиционное обозначение (РАК“ Одновременно в окне Value указывается предлагаемое к вводу в окно схем & звание компонента (транзистора) и при нажатом выключателе они отобра*^ ются в окне схем.
В рамке Display выключателями задаются условия отображения в 0 . схем компонента: с помеченными выводами (Pin Markers), названиями вМ дов (Pin Names) или пронумерованными выводами (Pin Numbers). Мы ничимся лишь выводом на экран токов (Currents), значением моШЯ<\)СГ (Powers) и условий эксперимента (Conditions). Поочередно активизируя chJj ки в высвеченном окне Part, Value и, соглашаясь с предложенными ми компонентов или игнорируя их (например, можно пропустить стР Value); в строке MODEL указываем тип транзистора.
STI эка
9981
ма о; ispoaje spcv
JTA
OOlljf
•нз^а=
•iso: ?9V^=
»CSC OBUCSZ CCCLGS^
•M«3V
CMBQSZ,
•anix.
ju;sjbueji NdN NdN
WPAY/1VQICH - *Jgrs»A »JQ^J4P>2- Q i О к оехжии H
Г Г1
F ХА/* ni/fzizi *1/7
LLt
то
|лиим
Поскольку в библиотеке MC8 нет отечественных транзисторов, то необхц димо ввести параметры модели Гумеля — Пуна транзистора KT3I6B, предст» ляемых в массиве Source: Local text area of C:\DATA\VdetAM.CIR (рис. 14.5Я
Рис. 14.6
< PAR'D
Для этого, после ввода позиционного обозначения транзистора характеристики, определяющей активный режим (VALUE, можно лить), выбирается строка MODEL и нажатием на кнопку NEW осущесП^Д переход в режим ввода параметров новой модели гразистора. В MODEL появляется надпись New Model I, что дублируется в верхней стрт* Value. Находящийся гам курсор позволяет ввести, выбранный Вами в колоЧ справа тип транзистора или ввести новый. При отсутствии там транзисТЯ КТ316В (используйте линейку прокрутки), введя в рамке Value тип транзИКЧ pa (КТ316В) затем пристулате к редакции параметров модели Гумеля — биполярного транзистора, описанного в таблице параметров. Помещая ЧИ в одном из окон массива: Source:Local text area of C:\DATA\VdetAM.ClR-тивизирусм его левой кнопкой мыши. Здесь VdctAM — имя файла, иС*1И зуюшегося для ввода принципиальной схемы амплитудного детектора следуюего анализа. Содержащиеся в каждом оконе числового массива ния удаляются «стрелкой» на клавиатуре и затем вводятся из описания мо 1
транзистора KT 316В.
Последовательный переход в другие окна параметров модели осуществля-.я нажатем на клавиатуре кнопки Tab или премешением в выбранное окно U -псора и удалением параметров, представленной модели транзистора, «стрел-^ой» на клавиаТ>'Ре- После завершения ввода параметров транзистора левой попкой мыши нажимают на панель ОК, подтверждая завершение ввода.
Смысл, заключенный в абревиатурах приведенных параметров,!! условия. при которых они получены, расшифровывается в пособиях по примее-кию программ Р-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ [4].
Сведения о параметрах модели транзистора также можно ввести исполь
зуя режим описания моделей. Дтя этого необходимо войти в режим Models из равного окна, шелкнув левой кнопкой мыши по надписи внизу главного окна (рис. 14.2), активизируя режим описания моделей используемых активных устройств (Active Devices). Содержание текстового файла (рис. 14.7) с параметрами транзистора КТ 316В совпадает со сведениями представленными в файле: Source:Local text area of C:\Data\VdetAM.CIR (рис. 14.6). Отсутствие некоторых параметров модели транзистора в текстовом файле обусловлено присвоением их значений по умолчанию или, при отсутсвии полного перечня параметров биполярного транзистора для модели Гумеля — Пуна, переходом ЭВМ к упрошенной модели Эберса — Молла.
Система схемотехнического моделирования МС8 позволяет получать ряд вспомогательных характеристик используя параметры введенной модели транзистора КТ316В.
Используя линейку прокрутки, в правом столбце подменю NPN Transistor (рис. 14.6) на выпадаюшем меню можно выбрать: семейство выходных (Ic vs Vce) характеристик 1к = ЦУкэ), зависимость коэффициента усиления (DC Current Gain) по постоянному току 1к/1б = Й1к), зависимость напряжения насыщения (Vce saturation voltage) от коллекторного тока Укэ = Г(1к) зависи-
tc-capео I 0 Evaluateor Vwsnm |СIDA1 AlVdetAM OR|________________•_________________________________________BBD
-* fpetyi* ‘
• ^Ql F i------------ь ♦ Q P О - i
1i * r • • д ч? %% Q.Q. F -
005}
’ •** ге21ёв *** BF=-M.?7 VAP»102 IKF«O.13Z2 ZS&H.TZf
* C.’v»;. l9C«4«7f ЖЭ-бш.7 М*7.ЭЭ VJE=.£9
*XEX :»V₽C *r>H.42pt XTF=2 V№15 IVF-.1S XTB=I.5)
* ° B9Jp .4=1 15 В10 I»V=4u »10 ТТ-ЮОЭр COO=41.2p VJ=3'0«
Kl ** * J
* *0.29} ‘A D Пеж6-?1»-13 BV»75 PS=3.43 TT=4,l!n CJO=8.!8p VJ*D.U
iu--u-s >-< ».ъ.' s.cr. ii DEFINE WOCECKJ :
Рис. 14.7
46U
lЛава вторая, описание jawpu/nupnou рииит ни wv и I щи
мость коэффициента усиления по постоянному току (Beta vs Freque 1к/1б = f(F). Выбрав левой кнопкой мыши необходимую зависимость, п<
чим ее график на экране монитора нажатием кнопки Plot (рис. 14.6). Вы
1с vs Vcc получаем семейство статических выходных характеристик транзит
pa КТ316В (рис. 14.8).
НРЧ МРИ Iransr/or
ESHO
>OOtL
244.000"
Ск 6 k <s «г "-.'Г 0005
CDST-
POWER.
2501200 2501Ж
120
CiOOk
-€0 ilCOri--z __ г-
0 000 1.000 2 090
’ vcattDС»
3 СО? 4.000
запуск 1,0 3 Л 23 {1ШмкгоЧ^>8 Mia j gJ.TAIPt Mero |
Рис. 14.8
Величина напряжения источника питания принимается равной I Подключение его в схему должно проводиться с учетом типа проводи" транзистора. Я
Соединительные линии между элементами схемы прочерчивают, исЛ зуя кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode (изображение нии) на панели инструментов (рис. 14.2). Установив курсор в нужном * главного окна (окна графического редактора), нажимаете левую кнопку и и, удерживая ее, «прочерчиваете» линию до соединения с выбранным нентом или линией. Отпустив ее. фиксируете положение линии. I
Автотрансформаторное включение в колебательный контур транзй£ Q1 реализуется представлением контурной катушки в виде двух индУМ стей L1 и L2. Индуктивная связь контурной катушки (L1 вместе с L2) 1 обеспечивается применением трансформатора без сердечника (рис. 14.9)4 брав в меню главного окна команду Components, а затем, на развора4" шихся вправо подменю Analog Primitives, потом Passive Componentns и Ч жатием левой кнопки мыши устанааливаем графичекос изображение ч
^ip 3 0 I 0 Evaluation Vector - |C>DATAlVdetAM C»R
и* 1 I>UQ* Mo* i>p
rwwwmwiMR
п^а
ВРИ
AMog .л<е«у
D-у»» ^«r»*ives
Dig*® Ucmiy <wme*or
F-J Corpora
ZC«H 1* 4₽Wi.0ar 5&r^ jCepa:*»' indue©' = , l&wSowce
JKFV
Оч Jevces W*rw*i>m зсглсм f XC»C»I Source» l чр-взе Sr-trcfii Z T»v>sfom SobT^f C'♦ Зо>ж»$
SwftCfcW
Спелая >ЛХ*5 Cede ТЪл® 0«
за- е
р G
t к
M₽O<1
JB"z~ . IIIf&iMicro-Cap a ';' Эмой ду-умен | ПД5ГН • чр. | !Г ПДЕ,^ - kcr: ! ‘^ЯО*!
Рис. 14.9
|[£М»СГО< ^Р-И.7• ^ЛД£.РТ4- |Р]ГДг-<- [
'-Ж>£Й2£Р^ mi
Рис. 14.10
9 V*
Я-Г
awiziywHlUJ/nWA puuuni nu t7V U riipj
форматора в произвольном месте окна схем и затем вводим назедш индуктивно-связанных катушек (рис. 14.10).
На выпадающем подменю К: Mutual inuctance/Nonlinear magnetics Я model, в верхней части которого содержатся такие же элементы, как наЛ мер. в описании транзистора, в строке PART вводится позиционное обозна^ ник трансформатора (буква К с некоторым порядковым номером), а в стЗ INDUCTORS названия индуктивностей первичной и вторичной обмом трансформатора LI. L2, L3 (через пробел). Коэффициент связи между обмт ками (0,8) задается при активизации строю! COUPLING.
Строка MODEL, где вводятся параметы сердечника трансформатора,! активизируется так как используется модель трансформатора без сердечн^ В этом случае правое окно подменю остается неактивным. Нажатие на кщ^ ку Cancel позволяет отказаться от всех введенных ранее в этом подменю пар}, метров. Кнопка Font позволяет изменять шрифт вводимых обозначений и jq, менять цвет вводимых компонент и надписей. Нажатием на кнопки Add ид, Delete можно ввести или удалить из перечня описаний какие-либо позкщ или ввести дополнительные сведения к уже имеющимся (Cost, Power и др.(
Пояснения к принятым обозначениям и вводимым параметрам можно найт-нажав панель Syntax.
Нажатием на кнопку Plot можно вывети на экран монитора некоторые вспомогательные характеристики (например, график петли гистерезиса сердечника трансформатора). Кнопка Help Ваг отключает диалоговое окно и позволяет получать краткую информацию о содержимом экрана, функции кнопок и других элементов, указанных курсором.
Закончив ввод компонентов принципиальной схемы и, проверив их значение, нажатием кнопки Node Numbers (номера узлов) на панели инструментов главного окна (рис. 14.10) переходят в режим анализа свойств схемы. Режим анализа схемы по переменному току' предваряет оценка рабочего режим» транзистора по постоянному току.
Обеспечение режима работы транзистора в соответствие с рекомендациями п. 3 достигается при выборе элементов схемы, приведенных на рис. 14» Проверка указанных режимов проводится с использованием процедур* Dynamic DC. Для того в меню главного окна схем выбирают команду Anal)'* и, на дополнительном, разворачивающемся вправо подменю, Dynamic " (рис. 14.11).
Дтя комбинации активизированных пиктограмм, представленной на вИ падающей закладке выбора пределов анализа Dynamic DC Limits (рис. 14Щ на принципиальной схеме детектора указываются рассчитанные значения^ пряжений в узлах при температуре 27 °C Temperature List (или списка ний) и величине шага изменения помеченного резистора в процентах (SM4 Percentage Step Size). Выбор режима Place Text (размещение текста) oGecnCJ вает вывод на экран монитора сведений о значении температуры и п^Р6 выводимых величин. J
Повторным нажатием пиктограммы напряжений в узлах отменяем в*3* на экран монитора значений напряжений, а активизацией пиктограммы бражения токов в ветвях выводим значения (рис. 14.13) постоянных т° (подтверждаем выбор нажатием кнопки ОК). Убеждаемся в соответствии
'/iuuujruuivpfiujt /fUWNUi 11
I v<4u.ition VciMcm |C kDATAtVwmnf CIM
T^4M Оиф в**
a'e*al
ЯПП
,'sns«^ .
AJ»1 aj«:
□tr a
Cyrer-CAC-
A.M
A>l
P о
Trersw 5*<*o«
С*Г43Г»-‘ AH I
>obi’-wr<. О--Ав*1 I
>оь«*с. сгмда-г
^ob>DC - O»AH)J
1<Ш1Ж^4Уш>.мр»нХ»^ДИИГТПя1яшиддмдв^-ЛИГга%У>%%%%У>%%%%%УЛ/лЛ
XOmroffxi И f>Jm DC rjMnrd DC сыг Td so^r or ?w uhemjz "ЗИИМЕ** * 1
t <*| О a U <гдД Micro-Cap t 0\ ^JMcm хх-^еи^ы l^rUE^IE-koo :a ОЖЕКЭ 2344
Рис. 14.11
Напряжения в yinax
Тою! в ветвях
Рис. 14.12
ни'ц' гХ И Рассчитанных значений постоянных токов (при расхождении значе-•®етс1Ьи,С Чем На М/^ «'обходимо проверить правильность параметров иных компонентов и их соединение).
пли-гуССЛелование свойств амплитудного детектора начинают с получения ам-ТоЧ1^лн°'частотных характеристик оконечного каскада усилителя промежу-Незд. частоты без учета влияния детектора. Для этого вместо нелинейного Ниц ,Исих,ого источника напряжения (NF на рис. 14.13) в схему вводят источ-Hq Рм°нического напряжения. Для чего после команды Component в меню Оп° °кна на выдвигающихся вправо подменю последовательно выбирают
ж ~
Рис. 14.13
Analog Primitives, затем Waveform Sources и Sine Source. После нажатия
кнопки мыши в главном окне появляется изображение независимого и ника напряжения (рис. 14.14), заменяющего курсор в окне схем. Устав его на входе исследуемой схемы и, подтвердив это нажатием левой кф мыши, выбираем в диалоговом окне Sine Source: Sine Source ларамст точника гармонического сигнала (рис. 14.15).
Содержание верхней части подменю и, предоставляемые программе можности, описывались ранее. В верхнем подсвеченном окне левой ча кладки содержатся атрибут PART, где вводится позиционное обозн| вводимого компонента (обычно программой предлагается начинают^ буквы V с текущим номером). Атрибут следующей строки MODEL доги держать имя модели генератора гармонических колебаний и в правом п ченном окне содержится перечень предлагаемых программой генера Поскольку он не содержит генератора с частотой 465 кГц, то необходим дать такой генератор, задав его параметры. Для этого, установив ку кнопку New, и нажав на левую кнопку мыши, активизируем окна пар источника сигналов, задаваемых в фа»гле Source Local Text 4 C:\DATA\VdetAM.CIR. Подведя курсор к окну F — частота, и, удалив ное там значение, вводим значение равное промежуточной частоте тра^ диовещательных приемников (465 кГц). Затем, используя кнопку ТлЬМ туры, последовательно заменяем другие параметры источника сигнал^ амплитуду напряжения генератора (в вольтах), DC — значение пос составляющей генерируемого сигнала (в вольтах), значение Ш1*1 фазы — РН (в градусах), величину внутреннего сопротивсния источнИ
Наоорагпорная раоота
□Гх
Л9 14
□ £ а S
О«Ж» IP 4i
Мем З.к^иы
4Л:
Рис. 14.14
'' «' <.’.ф К О 1 0 Ет<А*»Ьш1 Уегмсп -|(;\llAIAi/dr^AH GtH
Р G
<Л» _.
#»7
Рис. 14.15
486
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
налов(в омах), период повторения затухающего сигнхла RP (в секундах) w TAU — значение времени изменения амплитуды сигнала по экспоненциал^ ному закону (в секундах). Названные атрибуты вводятся в соответствие рис. 14.15. Нажатием панели ОК подтверждают окончание ввода параметр^ источника сигналов. Остальные атрибуты источника сигналов PACKAGE (Т?Г) корпуса), COST (стоимость) и POWER (создаваемая источником мощности можно не вводить, так как они используется только при конструктивном рас, чете с использованием программы PSPICE. Назначение остальных кногк* диалогового окна аналогично по своему назначению и функциям, описанный ранее при вводе трансформатора (рис. 14.10).
При выполнении пункта 2.1.1 необходимо исключить влияние детектора на резонансный усилительный каскад. Для того, активизировав пиктограмму «выбор режима» (Select Mode, рис. 14.2), нажатием левой кнопкой мышц выбираем идентификатор трансформатора К (подсвечивается зеленым светом) и затем удаляем его, войдя в окно редактора электрических схем Edit и выбрав на выпадающем меню (рис. 14.16) команду Cut (или комбинацию клавиш Ctrl+X). Удаление идентификатора трансформатора исключает взаимоиндукцию между обмотками трансформатора.
5»
В) ПйЬ4 Hiao , ЦСД1 м<сто-Сар 8 0.
ЕМ
copes ся
Рис. 14.16
’ . Л)
Амплитудно-частотные характеристики резонасного усилителя (рис. Н1 с ненагруженным контуром получаем в режиме Analysis, проведя прсдваритеЛЧ но нумерацию узлов нажатием на пиктограмму «Node Numbers* (рис. 14J' -'
Лабораторная работа jVs 14
487
Рис. 14.17
Выбрав в качестве узла, в котором будут анализироваться частотные характеристики, коллектор транзистора (узел номер 5), войдем в режим анализа.
В меню главного окна выбираем команду Analysis и затем на выпадающем меню режим АС расчета частотных характеристик (рис. 14.18) (в режим анализа можно войти выбрав комбинацию ключей на клавиатуре Alt+2).
При выборе режима АС в окне схем нажатием левой кнопки мыши, МС8 предпагает перейти к выбору пределов анализа на выпадающем меню АС Analysis Limits (рис. 14,19).
В окне AC Analysis Limits задается следующая информация:
Frequency range — значения верхнего и нижнего пределов частот анализа. Нажатием на кнопку прокрутки выбираем способ разбиения интервала частот Соматический (Auto), равномерный (Linear), логарифмический (Log);
Number of Points — количество подинтервалов в заданном частотном ин-У'рвале, в котором производится расчет частотных характеристик, одновре-енно определяет число точек выводимых на печать (если это указывается) в ’Рорме таблицы (рис. 14.24);
зв Temperature — диапазон изменения температур (может задаваться одно ачение температуры, при которой проводится анализ);
и Maximum Change — максимально допустимое приращение функции на щ еРвале шага по частоте (учитывается только при автоматическом выборе Га — активизация процедуры Auto Scale Ranges);
Input — имя источника шума, подключенного ко входу второго кас-
р 8 0.1 0 Evaluation Version - [С \DATA\Vde1AM Cl R
*
LC- AV)
Гуч-cDC A>4
Су-чг^сАС AM
AM
fueCK* Av;
A»*«
PrrbtTr*w«H .
R-.br AC
P*zbe CQ — Cr*Av) А а
men
SraCUzoe Jt Лм AC on fw «ст--crcut
Ifi П уск 0 2/ J >умонты | ВУЛАБРГЛ « Исто * 1Й! Micro-Cap в“с
Рис 14.18
AC Analysis Units
Aiz.
Steering | Р»:ре«i
f»t >jercv Fr»^ |-r44r N<jnbei d Paris Timpsaftn |Lnea» P c * mtrn Change fc Hate IncM
Fknt СД*1
poT
LttQ
Ytoeswn
FF
nF
r—
...
|vf5pv<Ti
'jWiiArmrts
|h,’4 41*
250.0
[iTo
$14
:ЗЯ^Ж
1J.I.I?
________
j "XRyQ» f
Рис. 14.19
Noise Output — номер(а) выходных зажимов, где вычисляется спекТ пая плотность напряжения шума; .
Run Options — определяет способ хранения полученных результатов-Normal — результаты расчетов нс сохраняются; м
Save — результаты сохраняются на жестком диске;
Лабораторная работа № 14
489
Retrieve — использование результатов расчета, хранящегося на жестком диске для вывода на экран монитора; State Variables — задание начальных условий интегрирования.
На экран монитора, в соответствие с рис. 14.19, выводится семейство
<вых (Р>> поскольку активизирована пиктограмма слева от столбца Р. Каж-VrT'IUnnniinapT rnnrnA nP'Wn U Т'П ГЧП Т< ЯПЯ ЛКТНиппг
дая с -вЫ1»*е ента ) qHt;|V,,r.......... * -----•------- ** ”
чсния. а в столбце XExpression — обозначение частоты. Кроме этого, в столбцах -
строка устанавливает способ отображения результатов и аналитические -тния для построения графиков. Для получения зависимости коэффици-усиления каскада в столбце YExpression помещают выражение для вы-нс тения модуля напряжения в выбранном узле или его относительного зна-д YRange it XRange указывают максимальное значение соответствующей временной, ее минимальное значение и шаг сетки значений соответствующей оси (частота — XRange, коэффициент передачи — YRange). Характер изменения значений по осям — линейный, что выбирается нажатием двух левых крайних кнопок в строке выводимых значений. Затем стоит пиктограмма выбора цвета выводимой кривой, потом — пиктограмма, активизация которой, создает файл для хранения числовых значений рассчитанных кривых и наконец, пиктограмма определяющая систему координат, в которой будут представлены рассчитанные графики.
Run — команда начала моделирования. Начало моделирования может также задаваться нажатием ключа F2.
Add — добавление еще одной строки спецификации вывода результатов после строки, отмеченной курсором.
Delete — удаление строки спецификации вывода результатов, отмеченной курсором.
Expand — открытие дополнительного окна для ввода текста большого размера при расположении курсора в одной из граф, содержащих выражения, например XExpression.
Stepping — открытие диалогового окна задания вариации параметров.
Properties — открытие диалогового окна задания парамстров(управления “Ыподом графиков на экран и принтер — Plot. выбб0 масштабов по осям коор-'Пнат ~ Scales and Formats, выбор цвета объекта, параметров шрифта и типа Ннии — Colors, Fonts and Lines, нанесение заголовков в выходных числовых адных — Header, выбор одной или нескольких переменных для сохранения в пользователя User Source — Save Curves, для режима анализа Transit, найме пиктограмм команд на панель инструментов — Tool Ваг).
I* *^е'Р ~ вызов раздела системы помощи.
Ж,3., я указан,|ЫХ на рис. 14.19 значений пределов и выбранных условий ана-Фиц Усилительного каскада на рис. 14.20 представлено значение коэф-з11а,1,ента Усиления (отношение напряжений в узле 5 и узле I). Максимальное Подче?Ие КоэФФициента усиления К„ определяется с помощью пиктограмм в еь,|° АС, регистрируюшггх положение маркера на пересечении двух штри-:И()л,|,,1,й (I). а затем — в точке максимума кривой (2). По известной вели-г,Рот КоэФФициента усиления в точке максимума можно определить полосу |цук, 'иКа»ия усилителя по уровню 0.707Ко. Активизируя пиктограмму, задаю-У (риМестоположснис маркера по указанному значению Y, на закладке Go То l с- 14.2]) в подменю AC Analysis, в активизированном окне Value указыва-
17U
/лава втирая, иписиние лаиораторных раоот по UC и ГПрУ
Полжем ie маркера по
Рис. 14.20
П М.ао-Сл» 8 О I О Evaluation Уогмоп
PG !
IOCCO?-
wax
1*Л1»Т
МООС
«со
<-Ч !/►.
> lor
• If COCK C4«* 4f3li-n
»1 ЛЛ
ССФЭ
EK>£*J
«ШООСК
Л? w 8ПП>
MMit/oCup 8 0 1.0 f v.jkidtari Vors* an |А( Art.itysi-,
I'll
Местоположение ыаркерэ В Точке макопл-мэ
12®
»00CiW
SOW Rri IU KD акэээ'-
В|ГВЙС~ D«lh
•1W «00
CwMDd. _ _
ЯП^!1 0 -,1 ИЗЭмоида» .teJVWO-falMicroC : П«САГ»Д JB1.145P15- I iaB'T'L'tfl:*
Рис. 14.21
лаоираторная раоота J>° J4
491
я значение Y на уровне 0,707Ко и нажимается панель Left левой кнопкой ‘ТСц!И. что устанавливает левый маркер на заданном уровне Y. Повторным начнем на панель Right устанавливаем правый маркер на том же уровне. Ши-полосы пропускания считывается под графиком в колонке Эека.Оцените р <-1ичину эквивалентной добротности контура. Результаты эксперимента занс-^те в таблицу 2.
Габ-^ио ?
Сопротивление на-грузки детектора Коэффициент усиления Полоса пропускания, кГц
АД включен АД выключен АД включен АД выключен 1
1 кОм __
5 кОм
10 кОм
Повторите эксперимент с учетом влияния детектора. Дтя этого восстановите принципиальную схему (рис. 14.22) при наличии индуктивной связи между усилителем и детектором с коэффициентом связи равным 0,8. Оцените значение резонансной частоты контура, эквивалентную добротность, коэффициент усиления и величину полосы пропускания усилителя, нагруженного на детектор, в том же узле. Результаты занесите в таблицу 2.
Для выполнения п. 2.1.2 (расчет характеристики детектирования) воспользуемся принципиальной схемой, приведенной на рис. 14.22.
Рис. 14.22
492
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
В окне схем выберем команду Analysis и на выпадающем меню Тга (рис. 14.23) или сочетание клавиш Alt+1. 1
fl Мгсго-Сар В О 1 О Evaluation Version - |C.WATAW<fetAM.CIR)
Ldr lzmcor.e«K ^»r>dt»*s ickcns ^talyM Q=5igr. Hodd help
u-/
АЫ
ос.
•> Dynamic эс .
Se-artMt/.
“ran^te-E.ndion..
АЬ2 AM АМН AJt‘5 AM .**•7
on
C‘ir<o'*:nAM
Frose Tr ar Kent
Probe AC_J-> F&toMbZ '
Probe DC_
Р G : £
Select >/od= 'Runs transient analysrs on the accve or cut ...............................'^<31
•5ЕПу<ж| J О XJ 4B Ll rj Mgh документы 1 ^]ЛАБР‘4 - Чего ||[&lMicro Cao 8.О.... ^3SJO 4
Рис. 14.23
В диалоговом окне Transient Analysis Limits, которое может открыва так же нажатием клавиши F9, задают параметры расчета переходных про сов, прямого преобразования Фурье (FFT) и др. (рис. 14.24). Л
Й Transient Analysis Limits
Е>.ст.. Sleeping.: Propertes...
Нф..
Tire Flense
Ma-mum Time Step Nmber oc Pcanu Tempefetue | ге зг RetiaceF jns
Run CpUcrc
State Variebles
P ОрыгЬпд РэН
Г" Operating Porv Only
Г” AJoSwteRanges
YExmessicn
[Количество точек Г в таблице
]2тЛ.0Эт
13 07-001 p -2 4301
2m.3G3m
|2m.3.03rn
j 0035.-0.00^
Щ[Г |FMS(7l1)rSQETC)
|7П0Г|Т>1Э59и end T<2030u)
i^uns the analysis.
Рис. 14.24
Лабораторная работа № 14
493
Команда Run — означает начало моделирования (может задаваться так же атием клавиши F2).
НЗ?КЦ ажатием на панель Add левой кнопкой мыши можно добавить еще одну спецификации вывода результатов после строки, отмеченной курсором.
сТ^°Ко^аНда De'ete» вводимая нажатием левой кнопкой мыши, позволяет уда-ctpoKv вывода результатов, отмеченную курсором.
[Тпанель Expand, активизируемая левой кнопкой мыши, открывает допол-льное окно лая ввода текста большого размера при описании выражений ^пример, X Epression).
' Нажатием на панель Stepping открывается диалоговое окно задания ва-риааич параметров.
И Команда Properties выполняется нажатием на левую кнопку мыши и со-повождается открытием диалогового окна, позволяющего управлять выводом графиков на экран монитора, изменять масштаб по осям координат и др.(под-робнсес см. в предыдущем разделе построения АЧХ).
Затруднения, возникающие при проведении Analysis во временной области. можно устранить вызовом системы помощи Help.
Слева под строкой панелей вводятся числовые параметры:
Time Range — указывается конечное и начальное время расчета временных характеристик (начальное время расчета по умолчанию принимается равным нулю и может не указываться).
Maximum Time Step — величина максимального шага интегрирования. Текущее значение переменного шага интегрирования определяется величиной допустимой относительной ошибки.
Number of Points — количество точек, выводимых виде таблицы (по умолчанию принимается равными 51). Изменение количества выводимых точек достигается нажатием на пиктограмму в разделе вывода числовых результатов 'Рис. 14.24). Нажатием на эту кнопку' в текстовый выходной файл заносится таблица отсчетов функции, заданной в графе YExpression.
В столбце справа под строкой панелей располагаются опции управления результатами расчетов.
Run Options — определяют режимы: (•» >
Р' Normal — результаты не сохраняются;
^TSA ~ РсзУльтаты сохраняются в бинарном файле формата: <имя фай-
Retrievc Ле Для
— используются результаты, сохраненные ранее в бинарном фай-постросния графиков и вывода в форме таблиц (без нового расчета);
tate Variables — установка начальных значений позволяет:
* Zero — выбирать в качестве начальных значений нулевые потенциалы * В ^злах и токи через индуктивности;
Head — использовать в качестве начальных значения, взятые из би-I» парного файла» формата <имя схемы>.ТОР, создаваемого перед каж-Ч Дым вариантом расчета;
Ч Leave — задание в качестве начальных условий результатов предыду-В" и 111его расчета.
П(1Ст ,1*атие на кнопку Operation Point обеспечивает выполнение расчета по L яйНому току перед каждым расчетом переходных процессов.
..«a wwaciww HU l/V U ГПрУ
В режиме Operating Point Only — производится расчет только no nocel ному току.
Щелчок по кнопке Auto Scale Ranges обеспечивает автоматический nJ I масштабирования по осям.
Условия, определяющие представление результатов моделирования вк I тотной области, задаются в нижней части диалогового окна Transient Aim Limits.
Левее таблиц, определяющих выражения и пределы представляемых,^ вых на экране монитора, расположены кнопки, задающие изменение Ж| менной по осям X и Y по линейному или логарифмическому закону. происходит при нажатии на соответствующую кнопку (крайнюю левую ^1 вторую). Нажатием на следующую кнопку (Color) на выпадающем менф| бираем цвет выводимой на экран кривой (название кнопки высвечи^И при подведении курсора к кнопке).
В колонке Р (Plot Group) указывается номер графического окна, в nwl ром будет построена, задаваемая строкой кривая. При одновременном пре; 1 ставлении нескольких кривых в одной системе координат, масштаб выбирив.1 ся автоматически.
В колонке X Expression указывается имя переменной, откладываемой к оси X.
При изучении временных характеристик это время Т, при расчете спеюрн сигнала с помощью преобразования Фурье — это частота F.
В колонке Y Expression приводится выражение, откладываемое по odS Это может быть просто напряжение в каком-либо узле, ток через какой-О элемент или между какими-то узлами, а так же целое выражение. Щелчка правой мыши на всплывающем меню можно выбрать тип переменной и 4» му его представления.
X Range определяет максимальное и минимальное значения перем01' ной X на графике.
В колонке Y Range задается максимальное и минимальное значения пер менной Y на графике (если минимальное равно нулю, то его можно не ук2зК
На рис. 14.24 показано, что в прямоугольной системе координат с ЛИН* ным законом изменения значений переменных по осям X и Y будет 1'ьР' литься один график. При этом в качестве аргумента выбрано значение aMtl туды напряжения в узле I (RMS(Vl) — среднеквадратичное отклонение * пряжения в узле I). В качестве переменной Y выбирается напряженке выходе амплитудного детектора (в узле 10); при этом проводится опенка повившегося выходного напряжения надостаточно малом промежутке ни в конце процесса моделирования. Это позволяет исключить из рассмота ния нестационарный участок процесса установления выходного напря*с х Пример расчета характеристики детектирования для некоторого значения^ противления нагрузки детектора (R6) представлен на рис. 14.25 (полу4**» соединением вершин составляющих значений амплитуды на выходе дете^ЧИ для некоторых величин амплитуды входного сигнала). Величина амПЛИ”и входного сигнала задается в подрежиме Stepping (нажатием на кН Stepping подменю Analysis Transient Limits).
pvuutnu ус 14
Рис. 14.25
На выпадающем подменю Stepping в верхней строке (рис. 14.26) указывается перечень изменяемых компонентов (для МС8 Demo может изменяться лишь один компонент). Выбор компонента осуществляется нажатием на кнопку в строке.
Рис. 14.26
(®цс What и в диалоговом окне — название изменяемого компонента *сцц,. Аналогично выбирают изменяемый параметр в окошке продол-к ^оки Step What (рис. 14.28).
ууо
I.шва вторая, описание .моораторных раоот по ОС и РНрУ
Рис. 14.27
Рис. 14.28
В данном случае в качестве изменяемого компонента выступает ген VI, а в качестве изменяемого параметра — сго амплитуда А. Затем в From указывается наименьшее значение амплитуды (вместо предъяв.' по умолчанию), в строке То наибольшее значение амплитуды, а в стро Value — значение шага изменения амплитуды. Подтверждение ; Stepping происходит при нажатии радиокнопки Yes в рамке Slop It. Oj менно в соседней рамке Method указывается закон изменения выбрани рамстра (линейный — при нажатии радиокнопки Linear, логарифмичес Log, в соответствие с некоторым списком значений изменяемого парам» List) В рамке Parameter Туре — тип изменяемого параметра, нажатием кнопки Component, подтверждается, что изменяются параметры компе а не параметры модели какого-либо компонента или его обозначения. I ней рамке Change (для профессиональной версии МС8) указывается п» изменения варьируемых величин: одновременное изменение шага ДЛ*
Лабораторная работа № 14
497
,деленных выше компонент — нажимается радиокнопка Step all variables nCpCitancously или в соответствие с указаниями, данными для каждого компо-sirriU _ Step variables in nested loops. Нажатие на панель All On дает возмож-неН ь включения процедуры варьирования параметров компонентов, персчис-Н,Лны< на всех за1С1адках выпадающего меню Stepping (для профессиональней версии МС8). Нажатием на кнопку All Of выводятся из режима ноИьИрОвания все заданные параметры. Активизация кнопки Default отменяет ^занные ранее для каждого компонента пределы изменения и величину ' Га и обеспечивает варьирование параметра от половины его номинального значения до двукратного. Панель Cancel позволяет отменить введенные ранее указания, а панель Help обеспечивает доступ к файлу помощи при возникновении затруднений во время работы в подрежиме Stepping.
Получите характеристики детектирования амплитудного детектора для значений сопротивления нагрузки, указанных в п. 2.1.2.
Для выполнения п. 2.1.3 необходимо выйти из подрежима варьирования параметров Stepping и в режиме Transient Analysis Limits отменить вывод на экран монитора характеристики детектирования (рис. 14.24) и ввести в таблицу указания о количестве выводимых графиков, характере рассчитываемых параметров, пределах анализа и представления их на мониторе. Пример зада-
ния пределов анализа и выводимых на экран характеристик для некоторого значения параметров нагрузки представлен на рис. 14.29. Соответствующий вариант рассчитанных зависимостей приведен на рис. 14.30.
Рис. 14.29
Кц л ровеДите расчет аналогичных характеристик для сопротивления нагруз-rPeiетектоРа R6 равном 5 кОм. При необходимости проведите коррекцию 5Г|°в выводимых величин.
ЧиТь Ри выполнении п. 2.1.4 задания необходимо на входе детектора вклю-го Ист°чник амплитудно-модулированного сигнала. Для этого меню главно-СХем вы^срем команду Components и на выпадающем меню Analog Puncl-IVes’ а затем на выдвигающихся вправо закладках последовательно ,0П $0urces и NFV (см. рис. 14.31: простейшие аналоговые устройства
Зональные источники сигналов —► зависимый источник напряжения).
- -г -*~'
О Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - [Transient Analysts]
Elk? cat CtOOTb pansier* $LU* ^ЗслзСлгс t>xe_ b*P
♦ • РП^ПП BP G Q
___I
Л V 3 Лг / /Л « А й в A »’ *йД
a » Ы H А [Д • •
wsswi.'
Й2Ш
’«к»:
— —
ka»x*i
IM MM
20»X<u
•iftMta
ИW‘w^''.
***Хм22ёй 1К4Ч ?mc»> jjih 5 Y* Fix-
ФЛ»«Ч
T<&«U)
IWOOOm------------------------------------------------------------------•--------------------------
фф 0Q0<W«^1 * H.r*? г**? ' . । - w
M*X**---...... -ir—------*------- -i- —------ •••• --i—----------------4--------------— >.....-4|
» ►* • • • *IS
: • : <. s* hlilli
*W«..-... •?......- -...!... .......J.....-.....r .......-...I.«4В
'° *Xm TiioS Ж FjT5»r FmS Ж———2ЭЛ1П ? ]Л| L
«,<!•) ел ||M
de* in the wrvowtfrr otter*
Рис. 14.30
При нажатии на левую кнопку мыши в окне схем появляется графичеЛ изображение функционального источника напряжения. Источник сигнала задается алгебраической формулой для расчета напряжения источника ЭДС Установив функциональный источник сигнала вместо источника гармонического сигнала (предварительно удалив его) и, нажав левую кнопку мыши, диалоговом окне (рис. 14.32) NFV: Analog behavioral voltage source задайте па
раметры источника ЭДС.
Содержание верхней части диалогового окна (рамки Name, Value, DispX’ и их назначение) совпадает с описанным ранее (например, пояснения * рис. 14.15).
В активной левой части окна указывается позиционное обозначение ко* понента (атрибут PART), которое для зависимых источников ЭДС предда1^ ся как Е с некоторым текущим номером (например Е1). Следующей стрйЯ является атрибут VALUE, задающий закон изменения ЭДС во времени пользуемый только при исследовании временных характеристик электрон** схемы. Выражение, описывающее AM сигнал задает амплитуду несущего лебания величиной 5 мВ и частотой 465 кГц при глубине модуляции Модулирующее колебание обладает частотой 1 кГц. Форму сигнала на амплитудного детектора можно наблюдать, активизировав строку Plot в нР вом подсвеченном окне, и нажав на кнопку Plot. Остальные кнопки И>^И назначение, описанное в комментариях к рис. 14.15 Атрибут FREQ анаЗДИ веским выражением задает характер изменения частоты функииональноГЧИ точника сигнала, используемого лишь при вычислении АЧХ. НазваннЫ*^, рибут, как и все последующие, не используется при анализе временных ХЧ
Лабораторная работа № 14
499
|ВПу<ж| О X.'. Л _J Мои . ~» Аииты |{[им»сгоСж> 8.Q BJ.'USPt 4 - Moo |
Рис. 14.31
МглоСгрвО 1 О Fvaiualtun Vernon-ICtbAfASVilotAM С1Щ
ИВП
r*j
R<
Utt
ЕПЕ О
L
• ------------1-1 t «ЖК! :• > <; •:::> - , „<
Я»П T** - ' ' ______________________
* j] р'д|мюо Сар 8 0.Г -Mijq | 'с® ! О’Л — 2 6
Рис. 14.32
500
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
теристик. После описания функционального источника сигналов входим
режим анализа временных характеристик принципиальной схемы амплит ного детектора (рис. 14.1). J
Для этого в меню главного окна выбираем команду Analysis, на выпад; шем меню Transient и переходим в диалоговое окно задания пределов а над Transient Analysis Limits (рис. 14.33). j
Transient Analysis Limits
T me F годе
Maarmm Time Step
Ncr-te ot Ports
j -£.r71plшпйД
J Sieppng | Propetfes ! Help...
2000c.
01u
Retrace Sirs
В tn Jp tons St*:e Variable* P C per at ng Point
Г” Cperatr.g Faint Only Г” Auto Scale Ranges
Y Expression
X Range j. V Range-
|RMSM1H’SQRT(2)
)7(19ПТ>1999и and T<2000u)
|2m.O j0.01.-0.31
]2m.0.03m Jo.8,1 ]
|2m.003m |o.ox5. :сю
|2m.O 03m |0 3.C01 J
Рис. 14.33
Функции элементов диалогового окна описаны в комментариям рис. 14.24. Для приведенного на рис. 14.33 перечня выводимых на экран а симостей и указанных пределов анализа, и некоторых значений сопротш ния нагрузки получены переходные характеристики в заданных узлах с\ (рис. 14.34). Ч
Получить спектральные характеристики любой из приведенных рис. 14.34 временных зависимостей можно выбрав команду Transient и на падающем подменю FFT Windows и на выдвигающейся вправо закладке. FFT Window (рис. 14.35). fafc
Войдя в диалоговое окно Properties(cBohcTBa) выбираем закладку I (рис. 14.36), которая позволяет выводить на экран монитора кривые (Сил Число их можно увеличивать, нажимая на панель (Add), или уменьшал (Delete) при этом на экран всегда будет выводиться автоматически (нах кнопка Auto) кривая, указанная в рамке Title. В показанном на рис. 14.36 рианте представления кривых на экран будет выводиться только одна кр* (в рамке Plot Group — количество кривых — выбрана I). * Ц
Она будет выводиться на экран (в рамке Curve нажата кнопка SH В зависимости от требований на экран можно вывести спектр амплитуд V* (в том числе в логарифмическом масштабе — dB) и фаз( Phase), а также ле. вительную (Real) и мнимую (Image) части спектра, нажав соответствую^ радиокнопку в рамке Expression. Нажав на указатель в рамке можно выбр спектр какой из изображенных на рис. 14.35 кривых, будет представлен НЯ ране. Пролистав закладки диалогового окна Properties, на закладке Р<?’
Чабораторная работа № /4
501
Рис. 14.34
[]1ГЛ]М»сто-Сдр | В]ГАБЭ14-Ме | [ГТТгсПетМ Аал | 'В 2 2
Рис. 14.35
502
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
• :<»м»
о ахь*---—-
KrattilD
сот п
iL?u
___L
5»: 4*1
_1
1r»C«l|OQ#u3 £>-сго-Са₽8 0
;мо»1 а:<Л.<мты |Е]ЛАЕР‘4-Икго.;|
'-заоч.’й
Рис. 14.36
можно изменить пределы анализа, точность и масштаб выводимых кривы» закладке Colors. Font and Lines можно изменить цвет и толщину линий bi димых графиков: на закладке FFT (рис. 14.37) верхний (Upper) и нижний ; делы временного интервала (Time Limit), где определяется спектральный став. Число выбранных на нем точек (Number of Points) определяет точи вычислений, а число учитываемых и выводимых на экран спектральн ставляющих указывается в рамке Auto Scaling. В указанном на рис. 14.37 анте на экран выводится постоянная составляющая спектра (помечен Include DC Harmonic) и первые 10 гармоник спектра (Auto Scale Fi Harmonics). Панели Default и Set Default используются для подтвер введенных изменений (указание о выводе на экран спектра выбранной вой, заданное на закладке Plot, уточняется на закладке FFT). Возвращая закладку Plot, убеждаемся в правильности внесенных изменений и, п жатия кнопки ОК, получаем выбранную спектральную характеристи рис. 14.38 представлен амплитудный спектр тока диода. При этом мае осям абсцисс и ординат выбирается автоматически. |
Проделав аналогичные манипуляции получите амплитудный спе пряжения на нагрузке детектора для параметров схемы заданной на рис-Оцените величину коэффициента нелинейных искажений. Д
Влияние нагрузки на характеристики сигнала на выходе детектор3 г смотрим при изменении емкости нагрузки С4 (рис. 14.1). J.
Выбрем в окне главного меню команду Analysis, а затем Transient на дающем меню и укажем условия и пределы анализа (рис. 14.39) во вре области.
Лабораторная работа № 14
503
4*>
igO J Q вга>л.-аЬл. У<г..Ч<» -fFFTH ’IVfrffl
. ..
ТО
М<«»С*₽ tZ»AUn
'• ‘лх
х ГЭЖ
Эи»ОС. f> in* <ЧГ ХМ ПГ Чг» ОСПУ4
ЯАО
1Н>
i:ex -•
•~Ъхк“
»4Р»А1!Р
м • W-C.C tF Ай 'лыс
Рис. 1437
Version - 1Г Ь
1 • • ’| » • • 1 • i : t ••: I
• • • * 1 1
Рис. 1438
504
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Г г ansient Analysis Limits
200лз
0.1м
27
Мл<тьт TineSiep -3.
Numb* d PoH* .
Teirpe^akie | .nea- v |
Reiiace Runt
piioT
BurOpticru [цо ,1Sj
P Dperatog PSM Г Dperafing Р>м Ofty Г Ало Scale Fsn^i
У Е<м«зчг1
ja Э1.-0001
Рис. 14.39
Нажав на кнопку Stepping, в подменю Transient Analysis Limits, вон де режим пошагового варьирования емкости нагрузки С4 (рис. 14.40). |
Рис. 14.40
Назначение конкретных директив, радиокнопок, панелей подробно i саны при варьировании амплитуды генератора VI (рис. 14.28). Изменение кости нагрузки происходит с шагом 50 нФ. От 5 до 155 нФ. Дня указа! значений компонентов схемы напряжение на нагрузке детектора представ семейством кривых на рис. 14.41. li
В соответствие с п. 2.2.4 для значений сопротивления нагрузки R6, И няюшсгося от 1 кОм до 5 кОм с шагом в 1 кОм, получить семейство вре ных характеристик выходного напряжения при величине емкости нагр С4 = 20 нФ.
Для каждого значения сопротивления R6 определить коэффициент н нейных искажений выходного напряжения детектора. Полученные свел внести в таблицу 3. 'Ц
Таблица 3
— Сопротивление нагрузки, кОм 1 2 3 4
Коэффициент нелинейных искажений. %
Лабораторная работа У? 14
505
3 О I О Fvaluation Version [Ir
игап
.□ОС □
? G
и votap с Ьз чл* venic«
Рис. 14.41
5. Содержание отчета
1 кОм, 5 кОм и
5.1. Принципиальная схема амплитудного детектора.
5-2. Распечатку АЧХ усилителя с указанием значений коэффициента усилия и ширимы полосы пропускания (должно обеспечиваться соответствие с “•влицей 2). .........«этвд ямцоет я Ю t в
if5.3. Характеристики детектирования, полученные в результате машинного
Ю п.Ир0Вания’ ;и,я вели**ины сопротивления нагрузки R6 =
чроти^ временные зависимости выходного напряжения в зависимости от со-ИелИ1,В?Сния нагрузки и соответствующие каждому значения коэффициента 5с”НЫХ искажений (таблица 3).
• Краткие выводы.
6 Контрольные вопросы
определяется коэффициент передачи амплитудного детектора?
оценить коэффициент передачи детектора по характеристике де-
506
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
6.3. Назовите причины нелинейных искажений при детектировал АМ-сигналов. '
6.4. Как зависит значение коэффициента передачи детектора от conpojjJ ления нагрузки?
6.5. В чем отличие спектров тока диода детектора и выходного нагтд^ жения?
6.6. Как зависит величина нелинейных искажений при детектировав АМ-сигналов от нагрузки детектора?
6.7. Из каких условий определяется постоянная времени нагрузки летектД
6.8. Что такое характеристика детектирования?
6.9. Как влияет на форму напряжения на нагрузке детектора величинам кости в нагрузке детектора?
6.10. Поясните принцип получения полезного (низкочастотного) сигм на нагрузке детектора для известного спектра входного сигнала и частой®) свойств детектора.
7 Список литеретуры
1. Радиопремные устройства / Под ред. проф. Н. Н. Фомина. М.: Радм связь. 2003. С. 170—191.
2. Радиоприемные устройства / Под ред. проф. А. Г. Жуковского, jt ВШ, 1989. С. 122-137.
3. Головин О. В. Радиоприемные устройства. М.: ВШ, 1997. С. 153—1»
4. Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap* М : Горячая линия—Телеком, 2003. 364 с.
5. hup://W\\AV^pectrum-soft.corn/derrioform.shtni (адрес в Internet для лучения студенческой версии ССМ МС).
8 Краткие теоретические сведения
8.1 Общая теория детектирования
Детектор — устройство, создающее выходное напряжение в соотве^И с законом модуляции входного сигнала. Амплитудный детектор форм^т^ напряжение в соответствие с законом модуляции амплитуды напряже»^И входе амплитудного детектора (АД). '
Основной тип АД — нелинейный, состоящий из нелинейного элеМ^И нагрузки, на которой создается напряжение низкой частоты. Другим том реализации АД является устройство с периодически изменяющими . раметрами — синхронный детектор.
Наибольшее распространение вследствие простоты реализации прй^И точно хороших основных показателях (коэффициент передачи. коэфч^^И гармоник) получил .АД на полупроводниковом диоде.
При воздействии на детектор (рис. 14.42) напряжения высокочасЯ^И сигнала u114(t) с амплитудной модуляцией в цепи нелинейного элеМ^^И протекает ток сложной формы, содержащий спектр входного сигнаЛЯ^И
Лабораторная работа № 14
507
Рис. 14.42
пляюшие, появившиеся в результате умножения составляющих спектра Одного сигнала и их взаимного перемножения в НЭ. Репьное число дис-&Х°тнух составляющих спектра тока, амплитуда которых убывает с частотой, конечно. Полезная составляющая тока НЭ с частотой огибающей AM сиг-
1 полученная в результате перемножения составляющих спектра входного выделяется фильтром низкой частоты ФНЧ (рис. 14.43, 14.44). фитьтр реализуется в виде простейшей RC цепочки, позволяющей выделять удленно изменяющееся напряжение низкой частоты (по сравнению с частотой входного воздействия).
s«.f.
8Л(0
Рис. 14.43
f
^НеС-1имсиный элемент практически безинерционен, т. е его свойства поч-ется' 1ависят °т частоты действующего сигнала. Выходной ток НЭ олределя-*аРакт Пря*ением на его входе и„, напряжением на нагрузке и. и статической ?’-‘,н>Исти кой
(14.1)
i = Ru„.uH).
Рис. 14.44
508
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
При воздействии на входе детектора (контуре, принадлежащем выходно^ каскаду УПЧ) сигнала
и= L' coswt
ток четырехполюсника (в общем случае) в установившемся режиме будет qb держать постоянную и составляющие с частотой ш. 2со, Зш,... Все эти состав ляющие тока будут создавать напряжение им на нагрузке (рис. 14.44) Z,,, таю*Е изменяющееся с частотой о:
uH = f„(i), (in
где fH (i) — линейная функция, связывающая ток в нагрузке с напряжением $ нагрузке.
Совместно решая уравнения (14.1) и (14.2) можно найти ток и напря^ ние на нагрузке и„ при воздействии сигнала, если известны f(uBX,uH) и fH(if
Изменение амплитуды входного сигнала вызывает приращение постоянного тока Al
где 10 постоянная составляющая тока в цепи детектора при наличии сигнал равна среднему значению за период сигнала
Io = Y.fidt-
1 о
a i0 — выходной ток 4-полюсника при отсутствии сигнала (Um — 0), опреде»-ется его режимом i0 = f(0, u0).
Ток i0 сохлает падение напряжения на R„: u0= I0RH.
Приращение постоянной составляющей напряжения на нагрузке * те кто р а
иОн=1Л. М
в установившемся режиме при действии сигнала составит: Ди„ = AlR„- Ji В общем случае, для детекторов на полупроводниковых диодах i = W
где up = им + Ео, Ео — начальное напряжение смещения.
Включение параллельно R,,, Сн существенно влияет на величину выпр^ ленного напряжения. Увеличение С„ приводит к снижению сопротив^И нагрузки на частоте w и при условии
«
переменная составляющая с частотой входного сигнала будет мала по
нию с постоянной составляющей выходного напряжения. Однако, с-1*™® большое значение Сн может привести к искажениям при детектировании сигналов из-за слишком большой постоянной времени цепочки
скорость изменения напряжения на нагрузке оказывается меньше сК^И изменения амплитуды входного сигнхла. Условием, определяющим зН^И емкости в цепи нагрузки АД является
dUBX/dt « du„/dt.
Лабораторная работа J>& 14
509
11скл,очак)1иим поямсние нелинейных искажений огибающей входного сиг-нал*1-
Наиболее важной характеристикой АД является характеристика детекти-оования, позволяющая определить напряжение на выходе, коэффициент передачи, оценить ограничения на амплитуду входного сигнала и глубину моду-1ЯНИИ- Характеристика дсктектирования в общем случае может быть получена пр1( наложении некоторых ограничений на условия анализа: либо при условии. что амплитУДа напряжения входного сигнала U„ меняется достаточно медленно (и нет ограничений на значение амплитуды), либо для достаточно быстрых изменений Uto, но для малых значений амплитуды входного сигнала.
При действии на входе АД немодулированного сигнала с амплитудой U„ постоянная составляющая тока детектора !п и напряжение на нагрузке определяются:
10 = ф (U„,UH); (14.6)
Цы = I0R„ + Ео, (14.7)
где Ер — начальное смещение.
При медленном за период несущего колебания, изменении амплитуды входного сигнала AU„, напряжение на входе АД можно записать
ue = (U„ + AU„)cos©t. (14.8)
При действии такого сигнала на входе АД среднее значение тока детекто-ра и напряжения на нагрузке будут изменяться во времени и их мгновенные значения будут
(14.9)
, Uh-u^ + Au^ (14.10)
гае ’• и % — постоянная составляющая тока детектора и напряжение на на-•Лжс детектора при действии на входе немодулированного сигнала; Al их приращения при изменении амплитуды входного сигнала на AUe. ^иРащсния д[0 и ин зависят не только от изменения входного сигнала AUM, в* амплитуды немодулированного сигнала 11ы.
'**' -ПРВДелим из (14.10) u()„ = u„ - дин и подставим в (14.6)
В, i0 = 1(| + AI, = ф(им + AU„, -Uoh - ди„). (14.11)
птлр’1Ложим мгновенные значения тока АД, зависящего от мгновенной ам-U а*ОДного сигнала и напряжения на нагрузке в степенной ряд по пе-
*** и Ди„
10 + Д1о= ф(и„,
cU
—Дин + л»„
±[Д-ди=и -2-^_ди.Ди. +^ди!?
2:Ьи’„ аи.л, л*, ’)
(14.12)
510 Iлава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Частные производные, входящие в разложение, получены при услова что функция q>(UM + ди„, - Uo,, - Ди^) дифференцируема и UM = cod u0„ * const.
В выражении (14.12)
Ч = ДЬ „ - —ди „
(14.
где
^1<> _ е 6UM
— крутизна детектирования;
«const
(и:
Sip au„
= Ru
и .-const
— внутреннее сопротивление детектора;
— = pj — коэффициент передачи амплитудного детектора. (14 И
* ic -const
р Г «ишТ? >/;q I .
Из свойств частных производных двух функций следует
R. = SJRU. (14.Г
Подставляя (14.14) и (14.15) в (14.13) получим:
т Al = S,AU„ - Ди../R^.
(i4.lt
Эта формула обладает тем меньшей погрешностью, чем меньше слаж мые высших порядков cftp/5U\, и c’Vdu",, в (14.12), чем меньше глубЛ модуляции входного сигнала или ниже модулирующая частота.
Из (14.18) следует
(141*
= ИдАМи ~ Дин = - Al0RH,
Илдив = Al0(RM + Rj).
Это уравнение (14.19) может быть представлено эквивалентной схс^* (рис. 14.45а) детектора для низкочастотных переменных составляющих ** прямленных токов и на пряжен ий. Полученная при указанных допущО^В эквивалентная схема не позволяет объяснить процесс детектирования* оценить нелинейные искажения, возникающие при детектировании. На йЯ вании теоремы об эквивалентном генераторе схему (рис. 14.45а) можноW*, ставить в виде эквивалентной схемы (рис. 14.456), позволяющую оК
Гис. 14.45
Лабораторная работа Л? 14
511
уцтиРУюшее илн™1’6 детекторной цепи на контур усилителя промежуточной частоты, представленного генератором тока.
Соотношения, описывающие свойства АД Sa, R,a, могут быть получены л1Обых значений амплитуды сигнала и любой схемы АД. Параметры кон-^Lj-ной схемы АД должны быть определены для выбранной схемы АД и ре-*чма работы нелинейного элемента. Параметры АД могут быть определены с *оМошью семейства характеристик выпрямления детектора, полученных экспериментально.
8.2 Детектирование сильных сигналов. Установившийся режим
Одной из наиболее важных характеристик АД является характеристика делегирования: зависимость приращения постоянного напряжения на нагрузке в установившемся режиме Дин от амплитуды немодулированного сигнала UM
AuH = f(U„).
Эта характеристика позволяет определить величину выпрямленного напряжения в установившемся режиме Ди„ для любого значения амплитуды входного сигнала. Она позволяет определить величину коэффициента передачи детектора Кк:
Кж = AuM/U„.
Характеристикой детектирования можно пользоваться для определения выходного напряжения и при воздействии амплитудно-модулированного АМ сигнала при небольшой глубине модуляции (гл « I) или когда период модулирующего колебания значительно больше постоянной времени цепи нагруз-и <т e R*CH). I
рис^цП^ЧНая хаРактеРистика детектирования диодного АД представлена на
Рис. 14.46
512
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Воздействие на АД амплитудно-модулированного сигнала
u„= U.rfCl + m cos fit) cos cot, (14.Я
огибающая которого, изменяется ио гармоническому закону с частотой ц и,Л — амплитуда несущего колебания, m — глубина модуляции, оо — часц. несущего колебания, П — частота модулирующего колебания, UM_— лостЛ ная составляющая огибающей входного сигнала
UJt) = U„9( 1 + mcosQt)
приводит при малых амплитудах к искажению формы выходного напряжД нелинейным искажениям, что говорит о появлении нелинейных искажД при детектировании.
Графический способ определения напряжения низкой частоты на вьп^ АД с помощью характеристики детектирования позволяет оценить, наприц. методом 5 ординат, величину нелинейных искажении при детсктировами.
Как следует из (14.19), приращение постоянной составляющей тока* тектора определяется соотношением
Д|о = pAU„/(R + R,).
При гармонической модуляции амплитуды входного сигнала, когда* грузкой является ФНЧ (RHC„) амплитуда тока первой гармоники низкомчж тоты АД
lo = + ZJ.
Воздействие AM сигнала на .АД (рис. 14.44) отражается эквиваленПИ генератором ЭДС (рис. 14.45а) е, = pmU^, а свойства детектора описываю^ двухпал юс ни ком с внутренним сопротивлением R,„, зависящим от выходное напряжения на нагрузке.
При условии малой глубины модуляции входного сигнала m « 1 определения выходного напряжения Un сводится к линейной
Ио = !<» Z н = bmUZJR. + £,).
Модуль коэффициента передачи для типовой нагрузки Xj'L* ~ 1/КДИ Кд = м yV(l + R«/RH>2 *<^CHRJ2.
Рассмотрим работу АД на полупроводниковом диоде при дейсТ^И входе немодулированного сигнала:
, С □вх e U „costal.
Часто используемая в радиоприемных устройствах принципиальными АД (рис. 14.47) на полупроводниковом диоде работает без дополните^И смещения (напряжения задержки). Для малой амплитуде входного на ния (режим слабых сигналов) начальный участок вольт-амперной хар стики ВАХ диода точнее всего аппроксимируется экспонентой, что п достаточно легко определить основные характеристики АД и построИТч
Лабораторная работа № 14
513
,гТцку детектирования. Исходя из обшей теории детектирования входное АД
1/S. (14.22)
I — амплитуда первой гармоники разложения в ряд Фурье тока диода, а крутизна статической характеристики диода. Малая величина входного опр°тИВЛеНИЯ вызывает сильное шунтирование контура. Коэффициент пере-С°чн АД Кд при слабых сигналах Кл s - S'U„/S пропорционален амплитуде одного сигнала, т. е. К. « 1. Линейная швисимость К, от амплитуды входного сигнала приводит к квадратичной детекторной характеристике
; Дин = ти^оКд = mS'U^/S,
что указывает на значительные нелинейные искажения, создаваемые при работе с входным сигналом малой амплитуды.
Рис. 14.47
Использование линейной части характеристики детектирования, что соответствует режиму сильных сигналов, уменьшает уровень нелинейных искажений В реальных условиях амплитуда сигнала на входе АД составляет не менее 0.5—1 В, что соответствует режиму сильного сигнала и обеспечивает минимум нелинейных искажений, и поэтому получил наибольшее распространение.
Полупроводниковые диоды, применяемые в АД для реальных значений «глитуды входного сигнала, используют отрезок прямой ветви статической который с достаточной для практики точностью, может быть аппрокси-Рован прямой. Влиянием обратной ветви диода, крутизна которой пример-“а Два-три порядка меньше крутизны в рабочей области прямой ветви, пренебречь.
считать- что ток лиола однозначно определяется напряжением на 1 = без учета его инерционных свойств (отсутствует влияние на В . Ирование процесса в данный момент времени предшествующих ему). с;i^4ae 1 = Пи) — является статической ВАХ диода. Нагрузка должна НоГо ..Ть МалЬ1м сопротивлением на частоте входного сигнала, т. е. для вход-^С)тстГНаЛа (,4-20) выходное напряжение uH = const (пульсации напряжения 1|Олц..1Еу’ог ПРИ постоянстве амплитуды на входе АД). Это достигается вы-ЧК 5СЛОВИЯ. при котором постоянная времени цепи нагрузки тн = Д ачительно больше периода высокочастотных колебаний
2’/<п .
пр-
(14.23)
Напряжение, создаваемое на нагрузке будет определяться постоянной® ставляюшей тока диола 10= L'lt0/R)(, где — напряжение постоянной соЯ| ляюшей. г
Для ВАХ реальных полупроводниковых диодов с принятыми допущен ми и линейно-ломаной аппроксимацией ВАХ (рис. 14.48) можно записать®
i = 0, u < Uo; (||1
i = S(u - U,), u > Uo, Я
гле L'o — напряжение отсечки.
Форму тока диола в виде усеченных косинусоидальных импульсов находят методом проекции. Половина части периода, выраженной н радиан® градусах, в течение которой существует ток диода, называют углом отсечки С учетом полярности напряжений, указанных на рис 14 47:
uM = ILcoswt = и + ин; (14.25>
u » U^coscot - u„; (Н>
входное косинусоидальное напряжение создает ток диода на промежутке Ф*' мен и 0—0, т. е.
i = S(u-U0), 0 < cot < 0; (Н-2*'
i = 0, 0 < cot < 2л — 0. (14-^И
При cot = 0, из (14.25) следует:
u„ = UMcosO = u — u„ и напряжение на диоде равно напряжению отсечки u = Uo:
Uo = Uocos0 + ин. (1^-Я
Лабораторная работа №14
515
Подставляя (14.28) и (14.29) в выражение (14.27) получаем:
i = S(U,xcoso>t - UMcos0). (14.30)
Тогда постоянная составляющая разложения в ряд Фурье тока диода:
1 SU
10 - — S(U вх coswt - U „„ cos0)dwt =-— (sin 0 - 0cos0).
“о л
Напряжение на нагрузке детектора, обусловленное постоянной составляющей тока диода, при отсутствии модуляции входного сигнала (14.21):
CD uH = IqRh = —(Uwsine - UBX0cos 0) = Л
SRHU„cos0. n Л. =-----—-----(tgO - 0).
n
Подставляя из (14.28) U„cos 0 = Uo - uH, получаем: .
tgO -0 = u„ =________________J______
n SRH(Ufl+uH) SR„(1 + U0/uM) '
(14.31)
(14.32)
Как следует из (14.32) при Uo = 0 угол отсечки определяется лишь нагрузкой и крутизной диода и, при выбранных S и RM, является постоянной величиной, нс зависящей от амплитуды входного сигнала. Параметры АД, у которого аппроксимированная ВАХ проходит через начало координат (напряжение отсечки равно нулю) формулы (14.13—14.15) принимают вид:
Sa = SsinO/n;
Rb = л/Se;
RM1 = Ue/ll = 2tt/S(2O-sin20);
К = ин/ии = cos0.
(14.33)
(14.34)
(14.35)
(14.36)
где П о
2 °
L = — Г i(cot)cos<ot dot = SU„ (0 -sinOcos0)/n —
~ 0
амплитуда первой гармоники разложения в ряд Фурье тока диода.
Как видно из (14.32) увеличение SRH (при Uo = 0) уменьшает угла отсечки ^соответственно, (14.34), (14.35) увеличивает входное сопротивление и ко-’уРИциент передачи детектора. Отсюда для повышения коэффициента псре-
11 и уменьшения шунтирующего действия детектора надо обеспечивать а^к|“НмУм произведения SR„ Выбор диода с большей крутизной увеличивает Те Плитуду импульса тока диода рис. 14.49), 10, и„, что приводит к отрица-ия ЬномУ смещению на диоде при UM= const. Аналогично угол отсечки изме-
* ся по отношению к вариации RH. Поскольку uH = U„xcos0, то характери-проектирования будет прямолинейной и детектирование будет происхо-1 нелинейных искажений.
516
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Напряжение отсечки отличное от нуля (U0>0, рис. 14.49) исключает обходимость применения дополнительного источника смешения в схеме Aj Для амплитуд входного сигнала (JBX < Uo диод заперт и детектирование ного сигнала не происходит. Таким образом, в паузах между сигналами» бые посторонние воздействия не проходят через приемник. IВ
Сложное трансцендентное уравнение (14.32) не позволяет в явном получить зависимость угла отсечки от напряжения на нагрузке. Для малых у. лов отсечки 0 < 45° и L'o = 0 формулу (14.32) можно заменить приближенно
выражением.
Так как
tg 0 = О + 0’/3,
тогда
Зл
SRH(1 + U0/u„)
(14.)?
(14.3S
Из (14.38) следует, что для получения малого угла отсечки (большего ко эффициента передачи детектора) необходимо выбирать большую величин нагрузки RH.
Характеристика детектирования получается путем совместного решето уравнений (14.29) и (14.32). Для известного напряжения отсечки (Uf), полу ценного при аппроксимации ВАХ диода отрезками двух прямых, и, выбрани» го значения выходного напряжения ин, по формуле (14.32) определяем веда® ну (tgG —в)/тг и рассчитываем угол отсечки 9 (упрошенный вариант расчет, можно проводить с использованием формулы (14.38)). По полученному знанию 9 находим по формуле (14.29) значение амплитуды входного сигнала U,
= Uo( 1 + uH/U0)cos 9,
а затем строим (рис. 14.46) зависимость Ди„ = f(UBX).
Полученная зависимость будет отличаться о линейной, особенно в&пи-значений амплитуд входного сигнала L’BX = Uo.
8.3 Детектирование AM колебаний
Рассмотрим детектирование AM колебаний при действии на входе же ни я
ura = UBx0(l + mcosQt) cos cot.
Как было показано ранее для линейно-ломаной аппроксимаиИчИ диола и при напряжении отсечки равном нулю (Uo = 0), детектирование исходит без искажений Кл = cosO = const и UB4 = Uex0(l + mcosQt). тельно, напряжение на нагрузке детектора
ин= Кди„ = Ьвх0( 1 + mcosQt)cos9, • 1
повторяет (см. рис. 14.50) закон изменения огибающей входного с (идеальная характеристика детектирования).
Лабораторная работа Л'« 14
517
Постоянство угла отсечки для известных S и R„ (напряжение отсечки .г == 0) АД при действии на его входе AM сигнала создает на нагрузке напря-°ние, постоянная составляющая которого, изменяется по закону положи-
/Л п Ifn/Л п I f г ЛЧ г-t ш 1гч/ч ГТЛ f втаг- гв « а /-х п n nt __
Vo
2,1Ьной полуволны огибающей. Так как диод является двухполюсником, то постоянная составляющая создает запирающее напряжение на диоде, еньшая амплитуду импульса тока диода, обеспечивая при этом постоянство осечки (рис. 14.49, 0 = const).
эта постоянная составляющая создает запирающее напряжение на диоде, уме угла
Рис. 14.49
сти
Реально в АД возникают нелинейные искажения вследствие неидеально-характеристики детектирования, выбора нагрузки детектора без учета Сияния параметров входного сопротивления усилителя низкой частоты и принимаемого сигнала.
Искажения из-за нелинейности характеристики детектирования.
Характеристика детектирования реальных АД отлична от идеальной, что Гп?Вано Достаточно сложной зависимостью угла отсечки от параметров на-^зки 11 выходного напряжения. Следствием этого является нелинейный уча-характеристики детектирования при малых значениях амплитуды вход* 0 сигнала (рис. 14.50).
HMeJ111альный участок нелинейности этой характеристики Um, для герма-амГС1их ди°Дов составляет величину напряжения около 0,1 В. Для значений Детек'ТУДЫ Входного сигнала меньше U^, возникают искажения формы про-ХодНоИрованного напряжения, что указывает на нелинейные искажения вы--“•стцГ° СИгналД- Снизить искажения, обусловленные нелинейность характе-Детсктирования, можно увеличивая UMmin и обеспечивая выполнение
В] Ijn “,niin >
tu;. аК™чески для снижения искажений необходимо уменьшить значение Ь| м°Дуляции ш принимаемого сигнала, чтобы выполнить условие Ы U^rtT^/a-m). (14.39)
gjg 1лава вторая. Описание лаоораторных раоот по ОС и РПрУ
Искажения из-за большой постоянной времени нагрузки. Рассматривая, в первом приближении, ток диода в виде последовательности косинусоидальных импульсов, амплитуда которых меняется в соответствие с законом огибающей входного сигнала, опишем временной процесс на нагрузке АД (рис. 14.51а). Импульс тока диода в момент времени t, создает зарядный ток через конденсатор, опережающий напряжение на нем (параллельное соединение CHR„) примерно на 90°. Постепенный заряд конденсатора (напряжение возрастает по экспоненциальному закону с постоянной времени т, = гдС„ где гд— сопротивление открытого диода) приводит к возрастанию на нем напряжения, являющегося запирающим для диода. В момент времени t2 входное и напряжение на нагрузке выравниваются и диод запирается. Напряжение нг нагрузке (конденсаторе) запертого диода создает разрядный ток через RH с постоянной времени (тр = СнКн)значителыю большей т3, т. к. R., » гд.
При правильном выборе параметров нагрузки (тр = -ропт) формирующееся напряжение успевает следить за изменениями огибающей входного сигнала-
Рис. 14.51
Лаоораторная работа 14
519
( слишком большой Сн или RH (рис. 14.516) выходное напряжение (из-за , ,1Ьшой постоянной времени, тр ->оо) становится по форме ближе к постоян-°° iv значению с некоторыми колебаниями вокруг него. В этом случае подав-
,тсЯ полезная составляющая выходного напряжения с частотой Q и выделя-1 -я в основном постоянная составляющая из-за сужения полосы пропускания фНЧ (Рис- ^АЗб, штриховая линия). Условием обеспечения неискаженного етеКТирования AM сигнала является: скорость разряда конденсатора Сн долж-Jд быть больше скорости изменения огибающей входного сигнала
|duH/dt| > |dUM/dt|. (14.40)
Напряжение на нагрузке в момент времени t2 с которого начинается раз-яд конденсатора и = и12е’,/КнСн, а напряжение огибающей на входе АД им=ию0(1 + mcosQt).
Вычислив производные и подставив в (14.40). получим условие получения неискаженного детектирования через параметры сигнала и нагрузки:
Vl-nv/mfl. (14.41)
Из (14.41) следует, что постоянная времени разряда должна быть тем меньше, чем выше модулирующая частота входного сигнала Q и больше глубина модуляции т. Малая глубина модуляции как и низкая модулирующая частота приводят к медленному изменению амплитуды входного сигнала и выходной процесс (напряжение на нагрузке) успевает следить за этим изменением. Необходимость выбора большего сопротивления нагрузки RK для получения большего коэффициента передачи (меньшего угла отсечки, (38)) требует уменьшения емкости нагрузки С„. Ее величина должна быть всегда существенно больше емкости диода, т. к. в противном случае К, уменьшается.
Искажения обусловленные соизмеримостью частоты модуляции и частоты несущего колебания. Выполнение условия f» F (co»Q) и правильный выбор параметров нагрузки (14.40) обеспечивает неискаженное детектирование AM сигнала. При уменьшении частоты несущего колебания (f « 2-?3F) напряжение на нагрузке не успевает следить за изменением UBX и будет представлять последовательность импульсов близких по форме току диода (рис. 14.52). Полу-пение выходного напряжения повторяющего закон изменения огибающей родного сигнала с допустимыми искажениями обеспечивается при условии >^"i’10)Finax, где Fmax — максимальная частота модуляции.
Искажения, обусловленные влиянием разделительной цепи. Сигнал на на-Та^ЗКе дстектоРа (Цт Рис. 14.49) содержит кроме полезной составляющей (F) и постоянную составляющую, влияюшуто на режим работы первого Ч1С|<ада усилителя низкой частоты УНЧ. Для исключения влияния по посто-Ден°Му Т0Ку АД и каскада УНЧ между ними включают разделительный конго *СатоР Ср достаточно большой величины, обладающего на частоте полезно-СИгнала малым сопротивлением (рис. 14.53).
рис- 14.53а резистор Rn, является входным сопротивлением каскада д • Напряжение на выходе детектора ин теперь формируется с участием раз-д^ьной цепи CpR„. Импульс дока диода заряжает одновременно два кон-Сг>тора сн и Ср. Заряд конденсатора Ср происходит значительно медленнее
520
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 14.52
из-за наличии резистора Rw. Импульс тока диода создает результируюш пряжение U„ + Utp являющееся запирающим напряжением на диоле. I ство амплитуды входного сигнала и результирующею напряжения приь< запиранию диода и появлению токов разряда. Напряжение на Ср, стЛ-за счет тока разряда дополнительное напряжение смешения E.v на рез» R,,. Напряжение смещения из-за большой постоянной времени р<
(R,1+ M ’фактически не изменяется на периоде модулирушего колония. создавая на диоде постоянное запирающее напряжение (UCp= U110):
Ес- = UCpRM/(R„ + R,J- (14.42)
Искажения выходного сигнала проявляются в виде среза вблизи мини-к(гтьных значений амплитуды входного сигнала (рис. 14.536). Так как это ис-1АСНИЯ напряжения на выходе .АД (низкочастотного сигнала), то они проявится на всех частотах модуляции и заметны на слух.
Искажения такого рода можно заметно уменьшить выполнив условие I in - Есм- известных значений глубины модуляции (т — параметр, опре-1ечяемый требованиями стандартов на сигнал передатчика) и сопротивлений нагрузки RH и входного сопротивления каскада УНЧ RB> это можно записать
UH(l-m)iUllRH/(R„ + R,1),
где C„(l - m> = U->- или
(1 - m) > R,./(RH + R.J-
Отсюда следует, что для борьбы с такими искажениями можно варьировать сопротивлением нагрузки или входным сопротивлением каскада УНЧ. Для заданной величины RH выбор входного сопротивления каскада УНЧ определяется условием RB4 £ mRH(I - ш).
Уменьшения величины Есм можно добиться применением разделенной нагрузки, когда общее сопротивление нагрузки, выбран ное из условий минимума искажений, сохраняется, а напряжение смещения создается лишь на небольшой его части (рис. 14.54).
Рис. 14.54
Сопротивление нагрузки по постоянному току RH = RH| + Rm2. Напряжение Ра с"еНИЯ создается лишь на резисторе RH, за счет тока разряда конденсата н ч” ,,то значительно меньше чем при полном сопротивлении R„ (14.42). Од-чиКд-гТакос деление сопротивления нагрузки снижает коэффициент перела-nt1^ ’ т. к. напряжение на входе УНЧ является лишь частью полного напряже-KQ На НагРУ’зке. Применение П-образного фильтра из RB| и конденсаторов С„, | « Улучшает подавление промежуточной частоты (несущего колебания).
Лабораторная работа № 15
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТО
1 Цель работы
Исследование основных параметров и характеристик преобразовав частоты на биполярном транзисторе с помощью компьютерного моделир ния для линейного и нелинейного режимов работы преобразователя по пряжению сигнала.
2 Задание
2.1 Расчетная часть
2.1.1. Используя характеристику крутизны коллекторного тока S = f( определить начальное смещение V6x, и амплитуду напряжения гетеродина, ответствуюших углам отсечки по крутизне 180° и 90° (для одинаковых, в Ы случаях S ).
2.1.2. Рассчитать крутизну преобразования по первой и второй гармо» для указанных углов отсечки.
2.2 Экспериментальная часть
2.2.1. Используя вспомогательную схему, получить характеристику тизны транзистора S = f(V6>). J J
2.2.2. Выбрать рабочие точки и амплитуды напряжения гетеродина, <? ветствуюшие углам отсечки по крутизне 180° и 90°. Для угла отсечки ©* уточнить элементы принципиальной схемы преобразователя частоты (ПИ получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) каскада в режиме
2.2.3. Для линейного режима работы преобразователя получить ампл| но-частотную характеристику преобразователя. J
2.2.4. Рассчитать зависимость выходного напряжения от амплитуд* пряжения гетеродина.
рииигии jvr U
523
Пр
2.2-5- Рассчитать зависимость выходного напряжения от амплитуды на-я*ёния сигнала.
2 2.6. Определить амплитуду напряжения сигнала, приводящую к появле-I/побочного канала приема, на полузеркальной частоте.
3 Методические указания по выполнению работы
3.1 Описание исследуемой принципиальной схемы
Принципиальная схема преобразователя частоты состоит из параметрического элемента (биполярного транзистора), крутизна которого изменяется под воздействием напряжения гетеродина, и полосового фильтра (одиночного колебательного контура). .
Источник напряжения гетеродина V3 (рис. 15.I) включен в эмиттерную цепь. Входной сигнал подается через разделительный конденсатор CI и резистор RI- отражающий свойства реального источника сигнала. Резисторы R2 и R3 — делитель напряжения питания, обеспечивающий требуемое напряжение смешения на базо-эмиттерном промежутке V6jo (I^) вместе с R5 и R7 Резистор R7 вместе с R5 создает напряжение VK1O. обеспечивающее положение рабочей точки в активной области на семействе выходных характеристик тран
Рис. 15.1
зистора (значение постоянной составляющей тока IKO = I мА). Резистор цй имеющий малое сопротивление служит для получения формы тока коллект»? ра (пропорциональное напряжению на R4) и частотной характеристики прЛ образователя. Колебательный контур в коллекторной цепи настроен на ста» дартную промежуточную частоту 465 кГц при неполном включении в пек выходного сопротивления транзистора Q3, а также, входного сопротивленЬ следующего каскада. Резистор R6 отражает собственные потери в контур выполняющем роль фильтра, в нагрузке преобразователя частоты. "V
Нагрузкой преобразователя частоты (ПрЧ) по переменному току являе^ колебательный контур вместе с резистором R9, определяющим некоторое э» вивалснтнос входное сопротивление следующего каскада. Неполное вклюЧе. ние резистора R9 снижает его шунтирующее действие на колебательный коц. тур. В реальных условиях неполное включение снижает влияние на ПрЧ пара* метров транзистора следующего каскада, изменяющихся за счет воздействие внешних факторов.
Конденсатор С4 разделяет по постоянному току ПрЧ и последующий каскад. Для исключения взаимного влияния по постоянному току источника щ. пряжения гетеродина и ПрЧ в схему установлен конденсатор С5 достаточно большой емкости (обладающий малым сопротивлением на частоте гетеродина). Конденсатор С6. шунтирует источник питания, обеспечивая ему свойств идеального источника, по переменному току (нулевое внутреннее сопротивле-
Резисторы R5, R7 вместе с R3 обеспечивают температурную стабилизацию режима работы транзистора за счет отрицательной обратной связи по постоянному току. Для сохранения достаточно высокого коэффициента усиления (сравнимого с коэффициентом усиления каскада без отрицательной обратной связи) параллельно R5 включают конденсатор СЗ, исключающий обратную связь по переменному току'. На резисторе R7 выделяется напряжение гетеродина, изменяющего динамическую крутизну транзистора, и реализующего эффект преобразования. Резистор R8 отражает неидеальность реального источника напряжения гетеродина.
3.2 Расчетная часть
3.2.1. На основе семейства входных и выходных характеристик графи4® ским методом построить проходную характеристику 1К = f(V6j) и по ней — рактеристику крутизны коллекторного тока S = f(Vto), (S »Д1к/ДиСэ).
(Характеристику крутизны коллекторного тока можно получить с по*^ шью системы схемотехнического моделирования Micro Сар8 (МС8), исП<в зуя вспомогательную схему (см. раздел 3.3.))
3.2.2. Аппроксимировать характеристику крутизны линейно-ломано * дтя углов отсечки по крутизне 180° и 90° определить начальное смещение 1 амплитуду напряжения гетеродина.
Крутизна преобразования по первой и второй гармоникам промелО Я ной частоты рассчитывается при линейно-ломаной аппроксимации харЧИ ристики крутизны коллекторного тока от входного напряжения для задан углов отсечки, используя графики Берга.
3.3 Машинное моделирование
Временные и частотные характеристики преобразователя на биполярном днзиеторс исследуются на примере распространенной схемы с подачей на-^яжсния сигнала в базовую, а напряжения гетеродина в эмиттсрную цепи. ПР предполагается, что:
. студенты знакомы с основами операционной системы WINDOWS 98 или более поздними версиями;
. имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии, по указанному в п. 8 описания адресу, получить инсталляционные файлы демонстрационной (студенческой) версии программы mc8demo.exe или приобрести эту программу на CD-R дисках.
Демонстрационная версия содержится в ZIP файле (ее можно раскрыть программой PKUNZIP). Запуск программы осуществляется программой SETUP.EXE. После завершения установки формируется папка Micro Сар8 Working Demo для быстрого запуска МС8. В подкаталог MC8demo\data заносятся файлы схем, имеющие расширение .C1R, и библиотеки математических моделей компонентов в файлах с расширением .LBR.
3.3.1 Ввод принципиальной схемы ПрЧ
После установки и запуска программы mc8demo.exe в верхней части экрана монитора появляется окно главного меню с панелью команд (рис. 15.2).
ГЛАВНОЕ ОКНО.ОКНО СХЕМ
Рис. 15.2
</
IJUOU k/flHVWriNl. ли(Л/ри/П^/П(МА f/Ul/l/F/f 91U UV U 111UJ
Меню главного окна представлено второй строчкой сверху. Оно сое, из команд: File, Edit, Components, Windows, Options, Analys, Help. Bern строчка главного окна в подкаталоге \DATA укажет присвоенное ЭВМ выбранное Вами имя вводимой схемы с расширением *.C1R, которое исп зуется для описания схемы во внутреннем формате МС8 (вначале ЭВМ i сваивает формируемой схеме имя CIRCUIT с некоторым порядковым ц< ром. например. CIRCUITI, которое при выходе из программы можно а нить на любое другое). Л
Применяемые в принципиальной схеме наиболее часто встречающ| компоненты (конденсаторы, резисторы) выбираются курсором (рис. | активируются левой кнопкой мыши (например, резистор) и затем пом( ются в выбранном месте главного окна при повторном нажатии на л( кнопку. Удерживая нажатой левую кнопку можно врашать компонент, i кая правой. При отпускании левой кнопки местоположение компон фиксируется и на ниспадающем меню Resistor предлагается присвоить позиционное обозначение (PART), указать его величину (VALUE), а тщ другие, не используемые при выполнении лабораторной работы, параме Присвоенные значения могут изображаться вместе с компонентом в глав окне, если подсвеченный параметр помечен галочкой Show (рамка \ справа, рис. 15.3). При вводе значения параметров допускается исполы ние масштабных коэффициентов: д
Значение 6 10 1 з ; 10 -3 I ю -6 10 -9 10 . -12 10 • 1 • | '
Префикс MEG К м и N I । Р F
Степ, форма 10Е*6 10Е+3 10Е-3 10М 10Е-9 ЮЕ-12 кв
Масштабный коэффициент может содержать и другие дополни гель символы, которые программа игнорирует. То есть величина емкости в 5 может быть введена: 5 PF или 5 Р, или 5Е-12.
Подтверждением окончания ввода параметров компонента является Ш тие кнопки ОК. Если неверно введены какие-либо сведения, то нала кнопки Cancel отменяет всю введенную информацию о компоненте. 'Ч
При необходимости коррекции отдельных элементов принципюы! схемы требуется сначала сго удалить. Для этого вначале активизируют редактирования элементов и компонентов схемы (Select Mode, рис. 15.2)-тем, подведя курсор к компоненту, нажимают на левую кнопку мыши этом подсвечивается, обычно зеленым светом, компонент или соответа ший текст на принципиальной схеме и затем, войдя в меню EDIT, на В’ даюшем подменю выбирают CUT (рис. 15.4) и удаляют необходимый атр1 схемы. Альтернативным вариантом при удалении компонентов является менение пиктограммы CUT (или Ctrl-X) на панели инструментов (ножнК которая активизируется только при нажатой кнопке Select Mode (рис. 1>‘
Дтя ввода транзистора типа п-р-п, можно использовать пиктограмму Ч бражением транзистора на строке основных компонентов окна схем или *
лаиираторпим pauoma jw и
527
c
Зг<з заве
Рис. 15.3
mixer.CIR
7 ПУСК ****₽••
.. Б l-U {Xy
* -wioot
ayrwqt»^ . раГЛ1«Р15(... ONkrXa... <»J Л»
□n - [C:\MCBDEMO\D.
De*?' vcd=4
n*Hy?<jpa 1QO. вч»*»!**- Q - woe. _
Рис. 15.4
Components. В этом случае сначала надо выполнить команду Componen меню главного окна и на дополнительном меню, разворачивающемся впр; выбрать Analog Primitives (простейшие аналоговые элементы), а из предла мого списка устройств выбрать Active Devices (активные компоненты), a 3ai на закладке активных компонентов, n-p-п (рис. 15.5). 1
I
О Micro Сар 8.1.0.0 Evaluation Version - [C:\MC8DEM0U)ATA\Vmix1.CIR]
g F b ЕЛ
WHJovn Cp’JOTS DMtjn 4Dd»f
• tn. m « fj Q PG t- I i
«Л»(ПРТт!М»
Awoglbrvy 1 1
j MyuHtrary
A'rr^Ccr
For c:mjorw< 4
1 Стале
3Sre Sore*
4 :««*r
5 Inductor
0 Currt Source
9»TV
OkiCDry
Active Cwce»
fPN
KiPN NPNTrans scor
СК (3 MaoOp aiDO...
Ла-efarrn Sour СМ Чгстюп зогсея upUce Затем Z ’ransfarm So/см L^prnt^nt Затем Marr»
Canrec t/i S?*S
Sceoat Ptrpov? frF-ort
FTOS
CMOS CAOS WJET
PFFT
Л Мэи Асгуме*«1ь<
□ ЛАБР^ • S*FC .
Рис. 15.5
В дальнейшем, при повторном вводе транзистора такого типа, выполз мая команда Components уже содержит данный тип транзистора на выпад* шем меню и достаточно лишь активизировать в нем соответствующую стро*
При нажатии на левую кнопку мыши на ниспадающем меню (рис. «1 p-n-p Transistor выбирается позиционное обозначение (PART), начинают6* по умолчанию с буквы Q, затем его характеристика VALUE, определяю*! активный режим и тип транзистора MODEL. Я
Поскольку в библиотеке МС8 нет отечественных транзисторов, то и холимо ввести параметры модели транзистора 2T316D. Для этого после *4 выбранного обозначения транзистора (PART) характеристики, определяю^ активный pexuMVALL'E (можно не вводить), выбирается строка (рис. 15.6), и нажатием на кнопку NEW задаете переход в режим ввода йЧ метров новой модели тразистора. В строке MODEL появляется надпись > Model 1, что дублируется в строке, очерченной рамкой Value.
Рис. 15.6
Находящийся там курсор, позволяет ввести название выбранного Вами в колонке справа транзистора или ввести новый. Введя название транзистора (при отсутсвии в колонке справа необходимого транзистора) затем приступаете* Редакции параметров модели Гумеля — Пуна, описанных в таблице пара-МетРов. предъявляемого программой. Для этого кусор левой кнопкой мыши вещаете в одном из окон массива:
Source: Local text area of C:\DATA\Vmixl.CIR, где Vmixl имя файла, ис-ьзуюшегося для ввода принципиальной схемы смесителя и последуюего
Иза Содержащиеся в каждом окне числового массива значения удаляют-опи*СТрелк°й* вверху клавиатуры и затем вводятся значения парметров из ния модели транзистора 2T316D (рис. 15.7).
эУя п ВСлсния ° параметрах модели транзистора также можно ввести исполь-описания моделей. Для этого необходимо войти в режим Models из окца /Г° °*на< шелкнув левой кнопкой мыши по надписи внизу главного Нцх v РИс- 15.2), активизируя режим описания моделей используемых актив-
П°йств (Active Devices). Содержание текстового файла (рис. 15.8) с па-аМи тРанзистора 2T316D совпадает со сведениями представленными в
L От^1РИС’,5 7)' '
₽Ис. ]$ Р^вующие некоторые параметры в текстовом файле по сравнению с Принимаются по умолчанию и могут не вводиться.
JJV
U/оа . ш t CVfCXOOOAU.^l OA
Г «*
X-Cp
1.1UQU l/fiuiunu^ yiU<ZW//C44/IL///Zl OUt. pUlA/Ni 91U V/4-. 14 A HjJJ
€A «Ы *-1
Рис. 15.7
I
fx
Т1ОПП
Пьчто-сое юа
7 пуск
OMicr»-C*p B. 1.0.0 - К^ЮОГ^-^и Tr„,bto,
_с*трспв” Voce iTne эди» fc r
/X 2 0
/ пуск
*3
*xu mio® j-ps (7»>.3S«f t»-HM мля-е*.з х*г=г.4. iie=>.jo»t мг-i э
» jAb+ta xn^o.e*
лТ«Е
c«1
Э«*6А^>5 ••**©.
□ МкгоСф 8 1 DO Equation Venton - (CAMCSDDKADATAWmlxl.CIRI
Hr 'LTTtrart *rd>» Ctetrw Ceogn »<•» -ep
□ □ X
.NO0I1> rrJOB ?MP (Z9* 11.Bf er*l?4 2 7AF»M.7 »•».!« XSC’l.fMp W»-l. 91L • Bh>l.ia UAJtAd IRK=.2 IlG»lp K»-*7.J Ж2-1.4 ClS31.112p VJ9«.71 HJK-.JS • -№X *5Bp Vje>.C9 TF-4l.JX^ XTF*1 УТГ*10 1ГГ-.12 ГК=1.И»Л ГПИ1Л)
•rpn 9Г (F"«70* A-0.0O5>
I МЭ&КЖ ©e fll (F>4M»3 A*O.0O)> 'ГСП G<3 •!« {F=4-4«ilM«e AWQ.OZ B^IO
Л1
Рис. 15.8
Лабораторная работа № /5
531
3.3.2 Анализ вспомогательной схемы. Получение характеристики крутизны
диализ принципиальной схемы смесителя предваряется выбором опти-пьНого. с точки зрения минимума побочных каналов приема, режима рабо-1 транзистора Q3 по постоянному току. Для этой цели вводится вспомога-
наЯ схема (рис. 15.9) на транзисторе Q1 типа KT3I6D, идентичного тран-чсторУ Q3 преобразователя (можно ввести в том же окне схем, рис. 15.1, или '^организовать новый файл VHmixer, рис. 15.9). |
8.1.0.0 УегМоп • |С;ШС8РагNpN;NpN Tringhtor
-л«п ’'Ъсе!
ЛДПР ад
Mode
’Э -Мега
Рис. 15.9
।
Р
ато . качестве входного источника постоянного тока Current Source использу-*Ь-ток базы.
СОгТ1^роцедУРа задания параметров источника: активизируя команду Ках 'Po?Cnts в окне главного меню, на последовательно выпадающих заклад-•1ево^1оиРаем Analog Primitives,Waveform Sources, Current Source. При нажатии ИсТо Кн°пки на активизированную строку Current Source появляется символ
-м ИКа тока Выбрав положение источника тока в окне главного меню на-гЛе 1 Лев°й кнопки мыши активизируем диалоговое окно Current Source. NoiSe прилагаемого перечня источников: None, Pulse, Sin, Exp, PWL, SFFM, к><опк| aUSS'an вь,бираем источник постоянного тока None (нажатием левой
Лл МЫши) с Указанными на рис. 15.11 значениями параметров.
^Нее И ВВода его параметров используют методику' аналогичную. описанной £/’ Ри задании, например, транзистора.
1 tJHlUI'UJt, 1/МИ^а/1ИС y«M<zv/AM«rctzjz**o«_% ^WL»vrn v *- •« л uj'»>
AOeLewces
П Micro- Cap 8.1.0 0 Evaluation Version - )С:УАСД)СМ0\0АТА\Ут1ж1 CIR)
WJ»rtrr SortM
MVWM4 Cc«cm 'JtdB* hwp
>•* ♦ <3 Au
эигие
•U n«er.i>?-*aaa^
Пмсгк^вхзо..
: лусм
ОфЫИВПГу
FW1Con«vw« Ohg/trf
FVc’-On Eoltcm leboe Solees
I TrxfcrmSouT*s
C«v>r«ter< Stxrca*
rVtM SiJ'.t
Oj’WTSaz
P« зсысе
7Э*л ЭИ&сиг • 5m %ал\л
А1ГН ?rw
эо-п.»
S.«K»« Carmekrs 5M-S
S^KmI Purple !>₽art
Э«гс»
W SOl»<«
Рис. 15.10
Рис. 15.11
Следует заметить, что базовый источник (lb) является источником посто-оГо тока, в качестве которого может выбираться Current Source или йс urce- При анализе по постоянному току значения AC magnitude и AC Phase ^учитываются, так как эти параметры используются лишь при исследовании стотных свойств схемы.
ча источником питания в коллекторной цепи транзистора является источ-постоянного напряжения величиной 10 В (что соответствует режиму ра-аоты транзистора в ПрЧ) при значении амплитуды переменной составляющей В и нупсвой фазы, используемых только при анализе частотных свойств схе-’Ь1(рис. 15.12).
П ‘^Xoa.iQG,. « М», - мклх. В <
Рис. 15.12
В
tyQg схеме используется источник питания Voltage Source, из встроенной в ’ иблиотеки источников различного типа и видов формируемого напря-typoJL Выбор необходимого источника осуществляется процедурой: активи-ТелЬИ|^Ть в окне главного меню (рис. 15.2) команду Components, на последовали впадающих закладках выбрать Analog Primitives -» Waveform
Pls Voltage Source.
ЧГСеРИ Нажатии левой кнопки мыши, находясь в активной строке Voltage г’Ряжеч.ПОЯ8ляется символ источника напряжения. Установив источник на-Зчруем 14 в нужном месте окна схем, нажатием левой кнопки мыши активи-С •^Налоговое окно Voltage Source где, из предлагаемого перечня источ-
534
Глава вторая. Описание лабораторных работ по UC и ГЦрУ
Рис. 15.13
ников: None. Pulse, Sin, Exp, PWL, SFFM, Noise, Gaussian выбираем исто* постоянного напряжения None (нажатием левой кнопки мыши) с указами на рис. 15.13 значениями параметров. g
Вспомогательная схема на транзисторе Q1 с подключенными источ! ми lb и VI (рис. 15.9) позволяет строить статические выходные характер ки транзистора, проходную характеристику = f(V6j), а также характер крутизны транзистора S = Г(У'6>), необходимую для выбора оптимадьн жима работы преобразователя.
Семейство выходных характеристик транзистора в МС8 можно пол введя параметры модели транзистора и, указав в диалоговом меню Transistor, (рис. 15.9) над окном, определяющим тип выбранного тран 2T316D, вид характеристик, выводимых на экран диалогового окна. Н на кнопку изменения размера окна можно вывести на экран монито пример, 1с vs. Vce (IK = RV„) — семейство выходных характеристик; пользование затруднительно, поскольку выводимые кривые не соответ^ реальным режимам эксплуатации и не позволяют оценить параметры точки транзистора).
При использовании вспомогательной схемы на транзисторе QI семе выходных характеристик транзистора получают, входя в режим расчета даточных функций по постоянному току (DC Analysis). 1
„/аоораторная paootna .У» /5
535
При переходе н режим DC программа проверяет правильность схемы, со-к1яет ее топологическое описание, открывает окно задания параметров мо-\.*пИр°вания DC Analysis Limits (рис. 15.14) и после ввода пределов анализа и ^зэния типа варьируемых переменных, входит в режим анализа. Численный * \,из нелинейных уравнений выполняется итерационным метолом Ньюто-- рафсона.
Рис. 15.14
В окне задания параметров (рис. 15.14) расчета передаточных функций по достоянному току имеется ряд разделов.
Команды:
Run — начало моделирования; • " ;•
Add — добавление еще одной строки спецификации вывода результатов После строки, отмеченной курсором;
Delete — удаление строки спецификации вывода результатов, отмеченной 'УРсором; |1 • |
Чен ^Xpand ~ открытие дополнительного окна для ввода текста в окне, пометом курсором в одном из столбцов содержащих выражения (Expression);
,cPping — открытие диалогового окна вариации параметров;
roperties — открытие диалогового окна задания параметров;
е1Р — вызов системы помощи раздела DC Analysis.
**овые параметры:
ЛМ6ц ,г‘а1з,е 1 — задание первой варьируемой переменной. В столбце Method Э^ся метод варьирования переменной — Auto, с шагом, определяемым 1со.т12?/Мя варьируемой переменной VI — напряжение источника питания в %iij'кгГ0Рн°й цепи. В столбце Range указываются пределы (верхний и ниж-
J1 Л,енен”я VI. Ulai варьирования при этом автоматически выбирается (Ю-0.05)/50.
JJO
I A(i<lQ вПЮриИ. (7/IUtunMc yiMi/i/y/wr*j/uw»»» «<,
Вторая варьируемая переменная Variable 2 (lb-ток базы) выбирается с| нейным законом изменения с пределами изменения столбец Range: верхи значение — 0 mA, наименьшее — 0.05 mA, шаг — 0.005 mA. 1
Температура (Temperature) не изменяется, выбирается равной 27 °C. Aj. лиз передаточных функций для ряда температур проводится при указан границ (Range) изменения температуры и шага, при выбранной закономерн сти (Method) изменения температуры. При изменении температуры меняю параметры компонентов, имеющие ненулевые температурные коэффниией (ТС), а так же ряд параметров полупроводниковых приборов. чН
Number of Points — количество точек, выводимых в виде таблиц (ко.цц ство строк в таблице вывода результатов, при выборе такого режц рис. 15.28).
Maximum change — максимально допустимое приращение значения вой функции на одном шаге (в процентах от полной шшы). Я
Run Options — выбор опции определяет способ обработки или хранен результатов расчета. При выборе процедуры Normal результаты текущих я четов не сохраняются. Я
Присвоение признака выбора автоматического масштабирования (мети Auto Scale Ranges) передаст ЭВМ право выбора масштаба по осям X и Y д всех выводимых графиков. Выключенная опция определяет масштаб по od| указанный в столбцах X Range и Y Range.
Результаты моделирования (рис. 5.15) в форме семейства графиков выхе ных статических характеристик транзистора выводятся в системе координ; ток коллектора 1с в функции напряжения между’ коллектором и эмиттея Vce, определяемых выражениями в XExpression и YExpression. Столбец Р (Я Group) определяет число графических окон, в котором будет построено < мейство выходных характеристик. Максимальное и минимальное значея переменной напряжения между коллектором и эмиттером Vce и шаг сетки) оси X, задается B'Xrange, а тока коллектора 1с (по оси Y) в YRange. ПиК1 граммы в левой части каждой строки (рис. 15.13) позволяют выбирать лйВ ную (как на рис. 15.14) или логарифмическую шкалу по осям X и У.При боре логарифмической шкалы диапазон изменения переменной должен бй положительным.
Проведя аналогичные расчеты с использованием подменю рис 15 161 описания порядка проводимых вычислений, значений пределов и законов! менения варьируемой переменной получим проходную характерисП] 1, = f(V53) (Ic vs.Vbe) при значении коллекторного напряжения 9 В (рис.
Примечание: отсутствие начального участка на проходной характерно™ свидетельствует о недостаточной точности вычисления графика. Для палу ниг проходной характеристики при напряжениях V6)« 0,5 В необходим подменю DC Analysis Limits нажать кнопку Properties и в раскрывшемся меню Properties (рис. 15.18) выбрать закладку Scales and Formats (оси И штаб представляемых кривых) и в окне, ограниченной рамкой X ввести М шее значение масштабной сетки по оси X (Grid Spacing), указав парам1 выводимых кривых, форму представления, масштаб и др. как отображен
Лабораторная работа 15
537
‘I пуск О MtroOp ft i до . i a uc di
_______F
M0M4Q4*«miw n*fcK<W)-*Una... 0»<13’ u«’
Рис. 15.15
—
cub* dkk in ‘-he rMidow tor more zptons
73 DC Analyse Limits
Рис. 15.16
’iccb J^1’ эт°м варьируется лишь одна переменная — ток базы (1b) с автомати-V| (V 1 выбором шага и фиксированном значении коллекторного напряжения К Enable 2-None).
538
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
П MfcTO 8.1.0.0 Erduatton Version - (DC Analysis] ,C
l|i Edit Wrwk’w» Ct DC S-.Ltw Mar» Cam ’
p>m • . sciteb'po i o\a
ч < -». w4 -?vT.g »» z/oe»»oz« ? ' л - - * . л,./ -,» a a c \ •»
WrH tf • ( r* ja»w vwrwjr
va^roe
Scjit Mode . jOoCbe-CK-K n re window Ну ^ort c«on>.
‘/nyCH Ом<то<4С81
*S Мам д-жхшпы ПА&ЛХ) -Muo
Рис. 15.17
Рис. 15.18
Лабораторная работа Лр 15
539
Самым важным результатом исследования вспомогательной схемы на транзисторе Q1 является получение характеристики динамической крутизны ^Нзистора с последующим определением оптимального для преобразователя □ежима работы по постоянному току. Эта характеристика является производной от проходной характеристики del(lc)/del(Vbe). Выбор варьируемой переменной. пределов анализа, особенности описания выводимой переменной в 1^С8 и пределы графического представления результатов описаны в диалоговом окне DC Analysis Limits (рис. 15.19).
Рис. 15.19
Пример характеристики крутизны приведен на рис. 15.20. На полученном кривой выделите участок, обеспечивающий, при линейно-ломанной аппроксимации характеристики крутизны, угол отсечки в 180’, определите значение •ихтоянной составляющей тока коллектора. Вычислите величину напряжения смещения V6j0 (ток коллектора 11Й) и амплитуду напряжения гетеродина, реа-•рвующего линейный режим работы преобразователя (при угле отсечки 180’).
Доведите подобные расчеты для угла отсечки 90°.
Обеспечение режима работы транзисторов в соответствие с рекоменда-РЖ**1’ П 3’1 Достигается при выборе элементов схемы, приведенных на Мем ^^1). Проверка указанных режимов проводится с использованием под-Dynamic DC. Для того в меню главного окна схем выбирают команду j. ysis и на дополнительном, разворачивающемся вправо, подменю Dynamic "ТФИс. 15.21).
^При приведенного на выпадающей закладке варианта выбора пределов
Ма Dynamic DC Limits, на принципиальной схеме указываются рассчи-"Мби- 0 ЗНачсния напряжений в узлах (по умолчанию), что реализуется для •ЦццЧНой температуры (рис. 15.22) Temperature List (или списка значений) и Шага изменения температуры в процентах (Slider Percentage Step • “Ыбор режима Place Text (установка метки) позволяет получать на экра-
540
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 15.20
Рис. 15.2!
Лабораторная работа JV° 15
541
Напряжения в углах
Токи в ветвях
Рис. 15.22
не монитора, одновременно с величиной напряжения в узлах, значения температуры, при которой они определены.
Повторным нажатием кнопки напряжений в узлах отменяем вывод на экран монитора значений напряжений, и активизацией кнопки отображения токов в ветвях, получим значения постоянных токов, протекающих через элементы принципиальной схемы нажатием копки ОК (рис. 15.22). Убеждаемся (рис. 15.23) в соответствии требуемых и рассчитанных значений (при расхождении значений больше чем на 0,05 мА необходимо проверить правильность параметров введенных компонентов и их соединение).
О Micro Сар 8.1.0.0 Evaluation Version - (C:\MCBDU4O\DATAWmix1.CIRl___________________|, t(O X
6Ж Ccx-ponert Огегхч ллаИ» LvwrrOC Dttgn kefc. - ' •
- « ь . ’УШЙАвЙлЛйДо - ♦ . = •
Рис. 15.23
уи
иава вторая, минеи кие лаоорапюрных раоот по с/с и ГПрУ
3.3.3 Настройка резонансной системы ПрЧ I
В завершение подготовительного этапа необходимо провести «настрой
контура ПрЧ на промежуточную частоту (465 кГц). I
(Примечание: настройка проводится всякий раз при изменении реж работы транзистора, параметров нагрузки или внутреннего сопротивления точников гармонического сигнала). 1
Настройка колебательного контура на промежуточную частоту проводи
с использованием АЧХ каскада в режиме усиления. Для этого принцип} пая схема ПрЧ преобразуется к виду (рис. 15.24). I
Рис. 15.24
В качестве источника входного воздействия выбирается генератор гар*1^ нического напряжения. Для этого в меню главного окна команду Component на выпадающих вниз и вправо подменю выбрать (рис. 15.25) послсдовател
Analog Primitives -> Waveform Sources -> Sine Source. При нажатии кнопки мыши в окне схем появляется графическое изображение генерат выполняющее роль курсора. ’I
Установив графическое изображение генератора в нужном месте Д схем и, щелкнув левой кнопкой мыши, задают или выбирают сго параметр"
Если параметры источника гармонического сигнада, описываемые в словом массиве Source:Local text area of C:\MC8DEM0\DATA\Vmixl (рис. 15.26), отличаются от параметров, встроенных в МС8 стандартны*
Лабораторная работа А? 15
543
Тнгго-Свр 8.1.0.0 Evaluation Venion - [C:\MC8DEM0\DATAlYmix1.CIRl
.□|X
Э-гг’* *л*М« Скм^п Мх»‘ кг
₽®»ve Сдеропепз
S Р G =Н
► 1 ВМ*1
СЗ
• .
Mode
□ gm/cmj - ксгэ-.
Пмегаоредас...
t ПуСК
Мэ»МИ*^й>
CCKslHrncvc?
ДплмСют
Frd Go*"OOr*rt С»*ЭмП*
I > ard
э induct»
4 SrwSOJCf szapecaor
6 4PN 7=1/*
a .crvrt Source
д w<mfcrm Scmtm •Mln?
tour Ssur-tes • VcHUjeSource
l4pbca Sources • Qrr ent Sour ai
Z Transfer rn 5aztea » 1 Sr» Source li
J D^wraart Sources » r^eSoJxe
» !5лгх»
1 sann <ЛГ Source
1 Crrectrs > FoedArwtog
t 9UrtM
SoaculFUpose tl 3»*M£« Trance
U-Rxl МТС’
R2
RS 310
P7
43
Рис. 15.25
Рис. 15.26
544
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
точников, то вводится новый. Перечень встроенных стандартных источнгЛ гармонического сигнала приведен в правом столбце подменю Sine Source: i? Source. Нажатием кнопки New источнику сигнала присваивают имя (или т? тверждают название, предложенное ЭВМ): в рамке слева (Name) поочер^ предлагаются атрибуты источника (позиционное обозначение Part) и пре^д жение присвоить (или выбрать из предлагаемого в правой колонке переД ему (Value — рамка справа) имя V2 с возможностью отображать его в схем (помечается галочкой Show рядом с названием). Атрибуты источник сигнала (в рамке Name) Model, при активизации этой строки в колонке еле» задаются выбором стандартного источника из предлагаемого перечня в лонке справа. Выбираем источник GS (если вводился ранее), параметры рого высвечиваются под кнопками OK, Cancel и др. Если параметры источи,.. ка вводятся впервые, то нажатием кнопки New активизируют окна парапет, ров источника сигналов.
Одновременно в строке Value появляется подсвеченная надпись Model, вместо которой необходимо ввести название источника сигналов (hj. пример GS) и затем ввести в текстовом файле параметры источника сиги а ж» Source: Local text area of C:DATA\Vmixl.ClR вместо представленных по умел-чанию:
F — частоту источника сигнала в Гц;
А — амплитуду в В;
DC — постоянную составляющую напряжения в В;
PH — фазу в радианах;
RS — внутреннее сопротивление источника сигнала в Омах;
RP — период повторения в секундах;
TAU — постоянная времени изменения амплитуды сигнала по экспоненциальному закону в секундах.
Значения перечисленных параметров указаны на рис. 15.26. Коррекция * раметров источника сигнала проводится аналогично коррекции параметре* транзистора. Поскольку АЧХ получают для некоторой области частот, то знз« ние частоты источника сигнала нс имеет значения. В соответствие с алгоритм^ расчета частотных характеристик в МС8 источнику' всегда присваивают един* ную амплитуду. Поэтому параметры описанного источника сигнала будут * пользоваться в основном при анализе свойств ПрЧ во временной области.
Завершив ввод параметров источника гармонического сигнала GS, на** маем кнопку ОК и переходим в режим анализа частотных характеристик Я
Для этого в меню главного окна выбираем команду Analysis и, в ниспал*^ шем подменю, программу анализа частотных свойств АС (рис. 15.27) усиЛ^Я
Нажатием левой кнопки мыши переходят к заданию пределов аиа^1-у способа проведения анализа и представления на экране монитора резуДЬ анализа.
В окне AC Analysis Limits (рис. 15.26) задается следующая информз^Чи Frequency range — значения верхнего и нижнего пределов частот Number of Points — количество точек в заданном частотном интерв^д котором производится расчет частотных характеристик и полученные ния выводятся в форме таблицы (если это указывается);
лииираторних ра опта и
545
Evaluation Venion - (С:ШСЮЕМ0\0АТА№их1.СЖ)
С5 .
1Wr‘
Т 4 п.
0)
;orp<r*rt wr»x»*t Optxj»
i 4* e x
tlM'C
[ T<ort.. *>♦1
At*3
CM^CDC™ AJH4
tVwncAC.. AIW5
SanMw^r„. Alt* 6
F-nctJcn _
CMODHUn. <*•9
Т'згвегт.. CHMftH
AC... C»»*A*»2
РГ2ЫК... :»йамэ
I5u L!
B) ЯI Cl fti 510
or
VI •14
Рис. 15.27
Add | k&e.e | L*;yvl | S-syprg [ Rop^be-i Hep
Рис. 15.28
^J^mpcraturc — диапазон изменения температур (может задаваться одно К *нис, при которой проводится анализ);
HHrMaximum Change — максимально допустимое приращение функции на шага по частоте (учитывается только при автоматическом выборе и активизация процедуры Auto Scale Ranges); * А -
Noise Input — имя источника шума, подключенного ко входу усил1
Noise Output — номер(а) выходных зажимов, где вычисляется спе ная плотность напряжения шума;
Run Options — определяет способ хранения полученных результатов: Normal — результаты расчетов нс сохраняются; 1
Save — результаты сохраняются на жестком диске; I
Retrieve — использование результатов расчета, хранящегося на
ком диске для вывода на экран монитора;
State Variables — задание начальных условий интегрирования. 1
На экран монитора в соответствии с рис. 15.28 выводится частотная симость коэффициента усиления по напряжению (YExpression) в узле II ласть частот (XExpression), в которой проводится анализ, определяется ф
том: максимальное значение выводимой переменной, се минимальное з
ние и шаг сетки значений. Аналогично задаются условия при выводе на
монитора значений коэффициента усиления. Характер изменения зна
по осям — линейный, что выбирается нажатием двух левых крайних кн
каждой строке выводимых значений. Дзя
выбранных условий анализа,
оп
ленных рис. 15.28, производят расчет АЧХ усилителя, нажатием кнопки
Как видно из рис. 15.29, резонансная частота резонансного усилител личастся от 465 кГц (точное значение максимума АЧХ находится следу! образом: нажимается кнопка Peak, курсор располагается вблизи Bepi
OMkro-Сар В. 14).О Evaluation Version • (AC Analysis)
□ HO bit М'ПЗТОП Осчотс AC S-ooe ХП» ‘-Xjdb -vt
* м e Q pg ГЁ
сгосюоэо5к мамок ей cook ' <м.о»ж мамок
Leo Dvtt
ОДОД 4Г7Т5 «4Г0П
' X! MCOMK <>:•» >м»
/ ПУСМ Omv»<4CB1X0 «□
Рис. 15.29
^wiuu 4 ▼х
547
uv и сше раз нажимается кнопка Peak). Подстройка резонансной частоты А ществляется использованием подрежима Stepping в окне AC Analysis Limits 1СдОвательным выбором АС -♦ Stepping рис. 15.30.
Рис. 15.30
Активизацией кнопки Stepping переходят в режим многовариантного ана-‘иза, позволяющего в расширенной версии МС8 изменять параметры актив-Ных и пассивных компонентов, параметры зависимых и независимых источ-ииков сигналов.
При этом могут одновременно изменяться до двадцати параметров, ниспадающем меню рис. 15.31 выбор варьируемого компонента осуществ-с использованием разворачивающегося вниз меню при нажатии на 50°ПкУ в строке Step What. Нажатием на левую кнопку мыши производим вы-сго Комп°нента и затем указываем нижний (From) и верхний (То) пределы Изменения и величину шага (Step Value).
ana аТСМ 8 рамке (Step It), нажимая на кнопку Yes, подтверждаем вариацию Кон Мстров выбранного компонента. В рамке Method отмечаем кнопкой за-8ет(2?МеНения (Linear — линейный, Log — логарифмический или List в соот-РуемТВ1,и 00 списком). В рамке Parameter Туре кнопкой помечаем вид варьи-®г° элемента: Component — компонент или Model-модель.
чеЬ|Л Рамке Change (изменение) выбирается (помечается точкой) способ из-ц. тага при вариации параметра элементов: только во вложенных цик-
w'-FVF
Л JUBU nffiuinut, 1/ЯИИ1ПНС ✓••««ZVJ.'Mf JitZJ/rtOUl y/U</r/fFI fltr t/V M / lipj
Рис. 15.31
Рис. 15.32
лах программы (Step variables in nested loops) или всех подлежащих измене' параметров одновременно (Step all variables simultaneously). В первом eflj существует возможность независимого выбора шага для каждого параметр втором случае необходимо изменять варьируемые параметры с одинак шагом, что ограничивает анализ всего одним возможным вариантом. Кно нижнем ряду All On, All ОПТ включают режим варьирования (Step It) пе
ленных на всех закладках в режиме Stepping параметров. Кнопка Default я лагает, как возможные, использовать текущие (наименьшее и наиболы'1 шаг) значения варьируемого параметра. Подтверждение выбранного реж'” вход в режим анализа осуществляется нажатием кнопки OK. j
Для варианта значений емкости С2, указанного на рис. 15.31 полу** семейство рис. 15.33 кривых (последовательно войдя в режим АС и затем г рис. 15.28.
лаоораторная ропота .nt? /л
549
для определения С2, при которой положение максимума резонансной рой находится ближе всего к частоте входного сигнала (465 кГц) необхо-КРмо (Рис- ^.ЗЗ) нажать на пиктограмму Peak, чтобы определить максимум ^'ивой для минимального значения емкости С2, а затем передвигая курсор вер1Динам КРИВЫХ выбрать ближайшее кривую, у которой значение макси-П°ма ближе всего к 465 кГц. Маркер при этом указывает значение емкости, '' трстствуюшсс этой кривой. Нажав на пиктограмму Go То Branch (перейти с‘ кривую) на выпадающем подменю Go То Branch рис. 15.34, нажатием на Няопку изменения размера окна, выбрать значение емкости С2 (подсвеченной строкой окна С2 Value) и, нажатием на кнопку' Right, указать, что положение правого маркера будет определяться на кривой, соответствующей этой емкости.
Рис. 15.33
Закрыв подменю (нажав кнопку' Clouse) разместить курсор левее вершины ‘Ранной кривой и нажать правую кнопку. Маркер укажет коэффициент пе-на а'!И Для некоторой частоты. Затем, подведя курсор на пиктограмму' Peak, и Ре^аВ ЛевУ|° кнопку мыши, получаем рис. 15.35 значение коэффициента пе-на резонансной частоте для выбранного значения С2.
с-1и значение резонансной частоты отличается больше чем на ±1 кГц от То не°бходимо изменить параметры подменю Stepping, задавая мень-I пР€Делы изменения емкости конденсатора С2 и меньший шаг рис. 15.36.
IAUOU OJ/flZ|SMSV
J* *vw
OMkro Up 8.1.0.0 Evaluation Version - (AC Analysis)
• to
ua яде еде
«141 143«Mt> -4ГК4
аге)** юоела 15;ж
•*/ пуск fjMcr;<o»10a и «X ar^s*4r-'« □ r*6*O1< • Me a.
e < G • i
РИС. 15.34
П Micro-Cap 8.1.0.0 Evaluation Version - (AC Analysis]
“ F<i Edt лгп>-. Cc'cne «С Scope ^rtcrt Mx» •»© aVHei.- . г - =7%“C D PG I o\3
* cE Й - V У T ► и / D3 □□>r / > э % - -гТ; A S V
мл|»с*»а E<»ji*or /«',««
Сики Upoe_____А^юоев fc Ce ccal rv^r г Сигях me«>
i пуск п м<лнд><l 3Ц С «га^чв l wmi • *V> *>чгв--ь "i> '•«••.jh> • Moo B. < 13 *
Рис. 15.35
ЭЭ1
Рис. 15.36
Одновременно приходится изменять и пределы анализа рис. 15.37 для того, чтобы можно было выделить кривые, соответствующие различным значениям емкости С2 рис. 15.38.
Рис. 15.37
Получив значение резонансной частоты, удовлетворяющее требуемой точ-°СТи> устанавливаем соответствующий ему конденсатор вместо существовавши0 в начале эксперимента (вначале удаляется конденсатор С2 и затем вклю-ется уточненное значение С2 по итогам Stepping). Установив новое значе-Пос Конденсатора С2 выходят из режима варьирования его значения Сдгдовательно выполнив команды АС -> AC Analysis Limits -» Stepping->No Рамке Step It подменю Stepping, рис. (15.36).
Для уточненного значения емкости контура С2 оценим полосу пропускание. 15.39) по уровню 0,707К^„, .
Этого» определив значение коэффициента усиления в точке максиму-(•Лоти1'1’ вычисляем коэффициент усиления на границе паюсы пропускания Нажатием на пиктограмму Go То Y (в окне результатов вычисле-
Iлава вторая, описание яаоираторпых ршют по с/u и rupj
Q ?G =g
50 СМ
ЛООС
10 ох
53.ХО1
4ЭХ«Н~
ХО
7СЭ0Л
ObfscT Мосе
О МкгоСар 8 1.0.0 Evaluation Version - (AC AnalysbJ
/ пуск
о
*/ пус
* 09 С<р « Erifertoo Vt-Ясо Vmul СРС5» JJ1D
450 00»
4»с«»:
4ГОЮО>
УГЧЙМ»
ОЭ’Г*
Пномпене
л? и: 4М 5ЭЖ
41ШО
Е<Н» чт
4ОЗСГ
МагЯвС^Ю Мооь
♦ и н о а I • • • • *• »_ •
Ьгьсг*^ Ооийач <Ж t\ «е «мгОзп кл т^е о»лхо
я Micro Cap 8.1 0.0 Evaluation Version - (AC Analysis]
2
Рис. 15.39
j labopu тир кая paoonia j^s /J
553
( рис. 15.38) в окне выпадающего Value подменю Go To Y (рис. 15.39) вво-Htl значение OJOJK^. и нажимаем на кнопку Left. Маркер определяет поло-'1,,ицс граничной частоты справа от резонансной. Затем, вновь активируя *ен0 Va'uc* и Указывая такое же значение граничного уровня коэффициента ^изсния, нажатием левой кнопкой мыши на кнопку Right подменю Go То Y, Случаем значение нижней граничной частоты. Нижняя строка в окне резуль-т’;п.д1 указывает значения граничных частот и величину полосы пропускания (Delta)- .
Для выполнения п. 2.2.3 задания проанализируйте возможность использования принципиальной схемы (.рис. 15.56), для чего проверить режим транзи-^рз по постоянному току и получить АЧХ преобразователя частоты в режиме усиления, обеспечив = 465±0,1 кГц.
В отчете к лабораторной работе приведите распечатку принципиальной схемы с уточненными значениями компонентов (аналог рис. 15.24) и АЧХ настроенного усилителя (аналог рис. 15.39) для утла отсечки 0 = 90°. 1
3.3.4 Исследование свойств ПрЧ
Включая в базовую цепь транзистора первого каскада источник сигнала с частотой 4 МГн, а в эмиттерную цепь — источник напряжения гетеродина с частотой 4.465 МГц при наличии в коллекторной цепи колебательного контура, настроенного на частоту 465 кГц, обеспечиваем работу транзистора Q3 в режиме смесителя (рис. 15.1). 1
Параметры источника входного (V2) воздействия приведены на рис. 15.26 (GS), а источника напряжения гетеродина (V3) на рис. 15.40 (GG). |
Рис. 15.40
554
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Выбранные параметры источников гармонического напряжения обе<и чивают линейный режим работы преобразователя для напряжения с часто* входного сигнала и нелинейный режим для напряжения гетеродина. И селя ванне свойств ПрЧ проводится во временной области для режима транзит* по постоянному току, представленному на рис. (15.23).
В режим анализа переходных характеристик входят используя в главного окна команду Analysis и подменю Transient (рис. 15.41) или сочВ нием клавиш Alt-ь 1.
Рис. 15.41
Выбрав курсором строку Transient и, нажав левую кнопку мыши, пер*1^ дим в подменю Transient Analysis Limits (рис. 15.42) к заданию параметров дслирования.
Кнопки вверху подменю Transient Analysis Limits обозначают:
Run — вход в режим анализа (запуск процесса моделирования);
Add — добавление строки в перечень результатов, выводимых на монитора, или в виде распечатки в форме таблицы;
Delete — удаление строки, помеченной курсором, из числа выводи экран или в виде распечатки;
Expand — увеличивать объем текстовой информации в месте нахоЖД курсора;
Stepping — переходе режим варьирования параметра (компонента, моД1
Лабораторная работа № 75
555
Рис. 15.42
Propertieis — позволяет изменять параметры выводимой на монитор информации, принятые по умолчанию;
Help — обращение к описанию системы схемотехнического проектирования МС8.
Слева под строкой панелей вводятся числовые параметры:
Time Range — указывается конечное и начальное время расчета переходных характеристик (начальное время расчета по умолчанию принимается равным нулю);
Maximum Time Step — величина максимального шага интегрирования. Текущее значение переменного шага интегрирования определяется величиной Допустимой относительной ошибки;
Number of Points — количество точек, выводимых в виде таблицы (по Умолчанию принимается равными 51). Изменение количества выводимых "очек достигается нажатием на пиктограмму вывода числовых результатов Рис. 15.28.
Нажатием на эту кнопку в текстовый выходной файл заносится таблица Счетов функции, заданной в графе YExpression.
В столбце справа под строкой панелей располагаются опции управления Результатами расчетов.
Run Options — определяют режимы:
'%. Normal — результаты расчета не сохраняются;
Save — результаты сохраняются в бинарном файле формата: <имя файла>.Т8А;
Retrieve — используются результаты, сохраненные ранее в бинарном файле, для построения графиков и вывода в форме таблиц (без ново-го расчета). *
ate Variables — установка начальных значений позволяет:
Zero — выбирать в качестве начальных значений нулевые потенциалы в Узлах и токи через индуктивности;
' Read — использовать в качестве начальных значения, взятые из би-. Парного файла формата <имя схемы>.ТОР, создаваемого перед каждым вариантом расчета;
556
Глава вторая. Описание лабораторных работ по UC и Г Пр У
Leave — задание в качестве начальных условий результатов предщ^ те го расчета.
Нажатие на кнопку Operation Point обеспечивает выполнение расчета i постоянному току перед каждым расчетом переходных процессов. Я
В режиме Operating Point Only — производится расчет только по постД ному току.
Щелчок по кнопке Auto Scale Ranges обеспечивает автоматический нул. масштабирования по осям.
Условия, определяющие представление результатов моделирования в тотной области, задаются в нижней части диалогового окна Transient Analw* Limits.
Левее таблиц, определяющих выражения и пределы представляемых п* вых на экране монитора, расположены кнопки, задающие изменение пЛ менной по осям X и Y по линейному или логарифмическому закону. ВыЬ происходит при нажатии на соответствующую кнопку (крайнюю левую ц* вторую). Нажатием на следующую кнопку (Color) на выпадающем меню ву. бирасм цвет выводимой на экран кривой (название кнопки высвечиваем при подведении курсора к кнопке).
В колонке Р (Plot Group) указывается номер графического окна, в котором будет построена кривая. При одновременном представлении несколы* кривых в одной системе координат, масштаб выбирается автоматически ю наибольшему значению из выводимых переменных.
В колонке X Expression указывается имя переменной, откладываемой * оси X.
При изучении переходных характеристик это время (Т), при расчете сП* тра сигнала с помощью преобразования Фурье или при построении амплитуз-но-частотных характеристик (АЧХ) — это частота (F).
В колонке Y Expression приводится выражение, откладываемое по оси " Это может быть просто напряжение в каком-либо узле, ток через какой-.и^* элемент или между какими-то узлами, а так же целое выражение. Щелчке* правой кнопки мыши на всплывающем меню можно выбрать тип перемени* и форму его представления.
В колонке X Range указываются максимальное и минимальное значени* переменной X на графике.
В колонке Y Range задается максимальное и минимальное значения п4* менной Y на графике; если минимальное равно нулю, то его можно не У*а3
Как видно из рис. 15.43, нестационарный участок переходных хаРаК1<\. стик в начале процесса моделирования, на экран не выводится. Форма ла на базовом выводе транзистора (входной сигнал), на эмиттерном зЫ е,, (напряжение гетеродина) и напряжение промежуточной частоты на тельном контуре для параметров генераторов, описанных на поД*Я рис. 15.26 и рис. 15.40, представлены на рис. 15.43.
Для определения спектра преобразованного напряжения на контуре в подменю Transient Analysis Limits воспользуемся быстрым преобразован’’^ Фурье (рис. 15.44).
laoopaторная paooma jv? J J
557
^rt^CaP 81 0 0 Evaluation Ven km [Trambent Analysts}
a pg as
Vctc-Cw » ?»ejor* WW»
ик*7
42 *»а
*3tK«j
х.0 JU.K
• Пуск Пмктт*« aiOX. V^wsr.A-*W л HXAX/wr^ Э AH^ptyfax. 9. < X®
Рис. 15.43
Рис. 15.44
Нал
*«и
^езультаты моделирования представлены на рис. 15.45.
*^1Я выполнения п. 2.2.3 необходимо для постоянных значений амплитуд ^*ения сигнала и гетеродина, заданных рис. 15.26, рис. 15.40, необходи-°^спечить режим работы транзистора, соответствующий О = 90’. Затем,
558
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
=<• Edit wrdo*« Cp'jom Ггщвлгл Scope Мзп® ОлгЬ Mod» Hit
* <|gmibogis!p g a
d »• и н a a
•CCK
1СЛ44
10®C*
• 972
9 93«
32 0COn
24X»r
О Micro-Cap B. 1.0.0 Evaluation Version (Transient Analysis]
wntal
i -ос»
: 196
Drub e-cio г the **r«jrv« tor -note:
or Мозе
tt
HaEPi-Hj фОО-
•7 пуск
П MCTZrCo B.1Q.D...
тг»»ег<*лаГлв..
J Л00» Riyn eiMu »»JM
IWW Г
2 4O9M LB* 2U»3* 4C5 000K
CC0C%0»
Delta •24.975г" 5535»
Рис. 15.45
]1«.7чатоото]
9 9C0'-------
ЭО0СЛ.
OHM Т(8ко)
40 ОС (Hi
ISDOOrr
1W COCu
194 000b 1*0
10 030
0 030
10X3 ’55254л
<9* 900b Deta
155 258г.
входя в режим редактирования параметров генератора сигнала (рис. 15? последовательно устанавливать значения частоты генератора: |
465 кГц, fr ±465 кГц, 2fr ± 465 кГц, соответствующие наиболее влияюн побочным каналам приема. W
Анализ проводится во временной области, дтя чего в меню главного о последовательно выбирают: Analysis -> Transient-» Transient Analysis Lin В качестве выходного параметра выбирают амплитуду первой гармоники пряжения промежуточной частоты на колебательном контуре ПрЧ рис. 15 Результаты вычисления заносятся в таблицу I.
Таблица 1
Амплитуда напряжения промежуточной Частота побочного канала приема, Гц В
частоты - - —
Определим оптимальное значение амплитуды напряжения гетеро^ построив зависимость амплитуды напряжения промежуточной частоТч выходе ПрЧ от амплитуды напряжения гетеродина, для выбранного работы транзистора по постоянному току (см. рис. 15.23) и амплитуды Я
Лабораторная работа № 15
559
,0 сигн? in Uc = 5 мВ. Выпопгив последовательно в главном окне команды: Н ,alvsis Transient, войдем • подменю задания пределов анализа во врсмен-области Transient Anr’.^is Limits (рис. 15.46).
Рис. 15.46
В качестве переменной, изменяющейся по оси абсцисс, выберем значение амплитуды напряжения гетеродина, а по оси ординат — величину напряжения на контуре в достаточно малом интервале времени, соответствующее наибольшему значению (см. рис. 15.45). Пределы изменения выходного напряжения (в узле 10) выбраны с учетом постоянной составляющей напряжения на коллекторе транзистора (активизация кнопки Node Voltages — напряжения в Узлах рис. 15.22). - I
Нажав на кнопку Stepping, подменю Transient Analysis Limits, войдем в ре-*им варьирования компонентов. В левом раскрывающемся окне выберем V3, активизировав строку левой кнопкой мыши (рис. 15.47), а в правом — А — Учение амплитуды напряжения гетеродина (рис. 15.48).
Рис. 15.47
J./UOU v/nwvunwt ^IM<ZWy/Mf/l</J/nOU< JJUl/Uni HU OV U riipj
Рис. 15.48
Результатом вычисления (рис. 15.49) является дискретная зависим указывающая на существование оптимального значения амплитуды нап ния гетеродина, создающего наибольшее выходное напряжение промеж ной частоты. Соединив плавной кривой вершины графика на рис. 15.49
В
Лабораторная работа № 15
561
оПтимальное значение амплитуды напряжения гетеродина напряжение пеЧивающее максимум напряжения на выходе ПрЧ.
дпя выполнения п. 2.2.4 необходимо обеспечить режим работы транзи-
та, соответствующий углу отсечки 0 = 90е. Амплитуду напряжения генерала сигнала выбрать Ue = 0,005 В.
диалогичный эксперимент, проведенный для изучения влияния измене-
_ амплитуды напряжения сигнала на выходное напряжение, показан на £ 15.50-15.52.
Дня выполнения п. 2.2.5 необходимо обеспечить режим работы транзистора, соответствующий углу отсечки 0 = 90°, и амплитуде напряжения гетеродина Ur = 50 мВ.
Дяя исследования влияния амплитуды сигнала на возникновение дополнительных побочных каналов приема на вход ПрЧ включим генератор V4 с частотой, соответствующей частоте полузеркального канала. Остальные пара-
Рис. 15.50
21ransient Analysis Limits
fiir Options Stare V# abet P Opetair»; For* Г Gf^ yr»; For*On^ Г Ааэ Scae Ranges
YE^xessior
Eqxard,| S-.eppnQ . [ Piopetlet. | Hdp |
Nornal
Zero
j XAy^e I YRange | >| [2' Cu 1 I1 - 'Я 3 3
|G~ej.O
|МЮГ(Ы97?и 3rd Tc 133c) expression for the X-axis.
(к^зс
|<0e-3.0
|io.3.iojo
К Еирепюп
И|Р|ЙМ$М13)Г5И2|
Еис. 15.51
562 I'.iaea вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 15.52
метры источника сигнала соответствуют рис. 15.26. Для режима транзистор* ПрЧ по постоянному току (рис. 15.23) и амплитуды напряжения гетеродин* Ur=50 мВ, войдем в режим варьирования амплитуды напряжения входной сигнала (рис. 15.53). .1
Рис. 15.53
вне
с
нала
адавая пределы анализа (подменю Transient Analysis Limits) в соотв рис. 15.54 и учетом пределов изменения амплитуды входного сиг
1ИМ зависимость напряжения промежуточной частоты от амплитуды полузеркальной частоты на входе ПрЧ (рис. 15/ отсечки
СИГ
на
пряжения
U
50
мВ
гетеродина
Рис. 15.54
Рис. 15.55
564
Глава втирал. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Для выполнения лабораторной работы может быть полезным использош ние принципиальной схемы преобразователя частоты или ее фрагмецЗ (рис. 15.56).
Рис. 13.56
Исследование начните с определения рЛкима транзистора по постоянО току.
Возможность ее использования оцените по углу отсечке на характер”*-"1* ке крутизны.
4 Обработка результатов расчета I
и эксперимента 1
Для углов отсечки 0 = 90* и 180* приведите значения напряжений нач ного смещения Ео и амплитуд напряжения гетеродина.
Для угла отсечки 0 = 90‘ определите уточненное значение емкости бательного контура, полосы пропускания по уровню 0,707Кшк и ампЛ^в напряжения сигнала полузеркальной частоты, при которой на контуре каст напряжение промежуточной частоты. Результаты расчетов экспср”’^» сведите в таблицу 2.
Лабораторная работа № 15
565
Амплитудно-частотная характеристика ПрЧ приводится в виде таблицы 1.
5 Содержание отчета
Отчет должен содержать в себе: *1
• наименование и цель работы;
. принципиальную схему ПрЧ в режиме усиления, АЧХ;
• принципиальную схему ПрЧ в режиме преобразования АЧХ;
• графики напряжения на контуре ПрЧ от амплитуды напряжения гетеродина, от амплитуды напряжения сигнала, от амплитуды напряжения по-лузеркальной частоты;
• краткие выводы по работе.
6 Контрольные вопросы
1. Изобразите структурную схему преобразователя частоты и укажите назначение основных элементов.
2. В чем отличие свойств ПрЧ, реализованных на диодах и транзисторах?
3. В какие выводы транзистора включаются источники напряжения входного сигнала и напряжения гетеродина? Какие возможны варианты включе-ния? Достоинства и недостатки каждого из них.
4. Укажите условия проведения анализа свойств ПрЧ. Укажите причины ограничений и их влияние на результаты анализа.
5. Запишите выражение для коэффициента передачи ПрЧ при использо-^НИи одиночного колебательного контура в коллекторной цепи. От каких па-^отров устройства зависит величина коэффициента передачи?
о. Что является причиной появления побочных каналов приема? Какие ады оказывают наибольшее влияние и как это проявляется?
Что такое «канал прямой передачи»? Какое влияние он оказывает на п₽ием сигнала?
*8' Что такое «зеркальный» и «полузеркальный» каналы приема? Их поло-е На частотной характеристике ПрЧ.
Изобразите аплитудно-частотную характеристику ПрЧ. Поясните ее ха-
Укажите причину возникновения и способы борьбы с «зеркальным ’’Зда ?М*? Возможно ли построение однотактного ПрЧ без «зеркального ка-
566 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
II. Перечислите способы борьбы с побочными каналами приема. Укаж* те наиболее эффективные из них.
12. Что такое «нелинейный режим» работы ПрЧ? К чему приводит рабст в таком режиме?
7 Краткие теоретические сведения |
7.1 Принцип построения преобразователя I
Преобразование частоты — перенос спектра радиосигнала из одной о®, ласти радиочастотного диапазона в другую область без изменения вида и ж ра метро в модуляции.
Преобразование частоты реализуется в смесителе, содержащем нелинеж ный элемент, или один из параметров которого, изменяется. Результатом Я действия на смеситель двух гармонических составляющих является перемно. жение напряжений сигнала u. = U£cos(coct + cpj и напряжения гетеродин ur = LLcos<ort (вспомогательного генератора в структуре приемника). 'I
Рис. 15.57
Комбинационная составляющая, обычно разностной частоты, являв*’ полезным продуктом и выделяется фильтром промежуточной частоты
опр = 0,5UeUrcos((e>c — w,)t + Фс).
Разностная составляющая (со с - со ,) соответствует сдвигу частот • ласть более низких частот (рис. 15.57). Использование суммарной составЛЖ щей (со£ + сог) означает перенос спектра радиосигнала в область более вь* ких '
Закон преобразования сигнала имеет вид
%(t) = T(t)uc(t), (,52
О' где T(t) — нестационарный системный оператор, зависящий от времени-^ хранение линейности системы позволяет использовать принцип супсРрД ции для комбинации входных сигналов
HI
Т(1)[а,ис| + a2ueJ = a,T(t)ucl + a2T(t)uc2,
nnu mfikiY плстпянных a. и a.
Лабораторная работа У? 15
567
Цепи, подчиняющиеся закону (15.51) называют параметрическими. Отличительной чертой параметрической цепи является наличие вспомогательного источника колебаний, управляющего параметрами элементов. Параметрическим элементами могут выступать резисторы R(t), конденсаторы C(t), индук-тивнос™ L(t). В качестве нелинейных или параметрических элементов, которые называют смесителем, используют транзисторы (биполярные, полевые), диоды (туннельные, обычные, обращенные) — параметрическая проводимость, варикапы — как параметрическая емкость.
Напряжение на выходе смесителя, пропорциональное изменению входного сигнала uc(t), возникает лишь при T(t), являющимся коэффициентом пропорциональности, зависящем от времени (15.51). Технически это реализуется при матой амплитуде входного сигнала Uc по сравнению с амплитудой напряжения гетеродина, Uc« Ur.
Выходной ток смесителя определяется как
i(t) = G(t)uc(t), (15.52)
где G(t) — дифференциальная проводимость смесителя.
Представляем дифференциальную проводимость смесителя, управляемую напряжением гетеродина, разложением в ряд Фурье
G(t) = Go + GjCoscot + G,cos2wt + GjCOs3ot + ... (15.53)
При гармоническом входном воздействии
uc = Uccos(wct + <pe), (15.54)
подставляя (15.53), (15.44) в (15.52) и, учитывая тригонометрическую формулу cosacosB = (cos(a + ₽) + cos(a — 0))/2 (15.55)
выражение для выходного тока смесителя
i(t) = G0Uccos(w.t + <рс) + '/iGjUcCOstajclaj^t + <рс) +
+ '/2G2Uccos(<oc±2e>rt) + <рс) + ... . (15.56)
Составляющая выходного тока, обусловленная постоянной составляющей пРоводимости Go не обеспечивает переноса спектра входного сигнала на промежуточную частоту (сохраняется с частотой wc; является причиной появле-канала прямой передачи при = сопр). Полезный продукт:
сос±<ог, ®с±2ш,., ..., (15.57)
Лнет^'яЯемы^ из бесконечного множества комбинационных составляющих, яв-СИгелч *Т.
йродуктом преобразования, следствием изменения проводимости смс-°л действием напряжения гетеродина, и сохтается первой, второй Pl СОсТавляющими (15.53).
РеалигХ1г'*-Ши^ ваРиант построения резистивной параметрической цепи. 41<0Да) в :UCit ^5.52), достигается применением двухполюсника (например, Качестве GO) с вольтамперной характеристикой i = f(u). При под-**»*» (j Ии к нему двух напряжений сигнала uc = U€cos(a>ct + <рс) и гетеродина __ ’ ^^|t(U » U) И pa XIО Жен ИСМ I. ПЯЛ ТсЙПППЯ РЛПкТйиПРПили Von'Jk'Tpnrf.
56# Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
стики (ВАХ) диода относительно мгновенного значения управляющего напр^ жения (и г) ток диода:
i = i(uc + ur) = i(ur) + i'(ur)uc + 1/2 i"(ur)uc2 + ... . (15 5S,
Полезная составляющая тока промежуточной частоты (комбинационна составляющая):
i «i'(ur (t))uc = G/ur(t))uc, 'fl
где G, — дифференциальная проводимость диода. fl
Использование реактивной составляющей проводимости варикапа, в к*, честве управляемого параметра двухполюсника, приводит к похожим рсзулъ-тэтам.
7.2 Основы линейной теории преобразователя частоты
В транзисторном преобразователе частоты (рис. 15.56) с отдельным гетеродином сигнала поступает на базу транзистора Q3, являющегося смесителе^ а напряжение гетеродина — в цепь эмиттера через конденсатор СЗ. Нагрузкой является колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту’. Эта схема отражает вид обобщенной структурной схемы преобразователя частоты, представленной на рис. 15.58. ^^fl
Напряжение входного сигнала ис поступает на нелинейный эдеме (НЭ) — смеситель с входного колебательного контура (точки 1 — 1), входяШРу в состав преселектора радиоприемного устройства. Напряжение гетероди ~ подаваемого в точки 3—3 нелинейного элемента, служит для управления ким-либо параметром НЭ и может являться единым устройством в случае вмещения свойств генератора колебаний и смесителя (преобразователь*1 элемент — ПЭ). Фильтр, включенный к точкам 2—2, выделяет полезную и. стааляющую из тока НЭ, создающую на выходе ПрЧ — напряжение промеЯЭ точной частоты.
Лабораторная работа № 15
569
Смеситель (НЭ) является 6-полюсником на котором действуют напряжения сигнала ис, гетеродина ur, напряжение промежуточной частоты unp и по-стоянное напряжение, определяющее режим работы НЭ. Анализ работы ПрЧ Проведем при следующих условиях:
• напряжения, на всех входах 6-полюсника, гармонические
uc = Uc cos (oact + q>c);
ur = Urcoscort; (15.59)
unp= U^cos^t - Фпр). МЫ
Включенные на входе и выходе НЭ колебательные контуры позволяют не учитывать алияние других комбинационных частот, действующих на соответствующих зажимах НЭ.
Указанные ограничения дают возможность понять принцип работы ПрЧ и получить сго основные характеристики:
• амплитуда напряжения гетеродина значительно больше амплитуд напряжения сигнала и промежуточной частоты:
Ur»Uc; (15.60)
иг» илр, что достаточно точно соответствует реальным условиям, так как входной сигнал, поступающий от преселектора, достаточно мал и основное усиление происходит в тракте промежуточной частоты (после преобразователя). В этом случае преобразовательный элемент является линейным по отношению к напряжению сигнала и напряжению промежуточной частоты и нелинейным относительно напряжения гетеродина;
• не учитываются инерционные свойства НЭ, что справедливо для широкого класса ПрЧ, когда частота входного воздействия значительно ниже предельной частоты электронных приборов и позволяет пренебречь реактивными параметрами активных элементов (транзисторов, диодов).
Для безэнерционного НЭ входной (i,) и выходной (i2) токи определяются ^этическими ВАХ
>i = f,(ur, ue, unp); (15.61)
i2 = f2(u„ u£, unp). (15.62)
Поскольку напряжения сигнала и промежуточной частоты малы (15.60),то входной ток (15.62) можно аппроксимировать рядом Тейлора, по двум пере-Менным uc, unp, ограничиваясь линейными членами разложения
i2 = f2(uc,unp,ur) « f2(ut) + (U+ ^'UAnp, <I563) CUnp
Где
G(Ur) = Чых(иг) = hr(O,
(15.64)
ток на выходе НЭ, обусловленный действием напряжения гетеродина и стоянным напряжением (содержит только составляющие к <о,).
S^r) . г'у,(Uг) = Y (|) = S(t) (] _
5ue }>
дифференциальная проводимость (крутизна) прямой передачи, изменяют^, ся с частотой со,.
cf2(uf) _ 51 „Ди,)
<15.^
дифференциальная выходная проводимость преобразователя, изменяющая» частотой to,.
Из (15.59) следует, что напряжение гетеродина является четной периодической функцией, поэтому’ выражения для тока ij,(t) и крутизны (15.65) мо». но представить разложением в ряд Фурье по четным функциям с частотой® те родина: '
ЬХО = У l„cosnort; (15.67)
п*0
S(t) = £S.cosk<o,t (15
С' h • I г • ’>1 ‘ }г,т ЛЭ1/ ' Т > HJ .21 • ’ V fl
ПрИ К(1)т > toc
g22<<) = Zgn-nCosmO't. (I5.e
mH)
Подставляя (15 64)—(15.69) в (15 63) и учитывая (15.55), получим:
i, = V| cos neo,t + VSkUccoskto,t cosfcoj) + У g22U.Pcosm<o,t cos(<o, ,..t) —I n-0 k«0 m.O
= У Icosnco,t + l/2£SkUccos(kior +cojt + cos(k<o,-<oc)t + n-0 k-0
+1/2 Xg22mUn() COS(mco, + (Onpjt + cos(mo)r -conp)t. (I5tl
Как следует из (15.70) перенос сигнала с частотой сос на другую частаЛм При КСОГ > (OJ
<°пр = + ч; (И
115.^
Чр = ” ч» * «
при шс > КШГ f -
«пр = “с “ К«г. (fl
Лабораторная работа JVs 15
571
м0*еН при использовании любой гармоники крутизны. Обычно применя-
В1т>пеРеНОС сигнала вниз (“пр < “с), ПРИ к = 1 (простое преобразование):
f„p = fr - fc (или f„p = fc - fr).
Последнее слагаемое в (15.70) указывает на появление составляющих вы-одного тока с частотой fnp при m = 0. Это определяется постоянной состав-1Яютей выходной дифференциальной проводимости НЭ и характеризует реакцию нагрузки.
Таким образом, для выбранной частоты fnp, из разложения выходного тока (15.70), полезной является только одна составляющая тока промежуточной частоты. Комплексная амплитуда выходного тока промежуточной составляющей
1.ых = S, JLU /2 + g:20Unp, (15.74)
где 11. ~ Це*‘, Ц,р = Unpe*’*, что справедливо для условия сос > к<о, (15.73). Соотношение (15.74) оценивает значение амплитуды полезной составляющей тока на выходе ПрЧ без инверсии спектра входного сигндла (расположение боковых составляющих спектра входного сигнала сохраняется — верхняя боковая полоса остается в перенесенном спектре верхней боковой полосой, нижняя — нижней).
Для условия ког > сос спектр комплексных амплитуд выходного тока обладает
U = 8ДГС /2 + g22O Ц,р (15.75)
инверсией (боковые полосы в преобразованном сигнале меняются местами), на что указывает фаза напряжения сигнала U’. — Ue'*u. Это необходимо учитывать при преобразовании стереофонического сигнала или обработке сигнала с однъполоендй амплитудной модуляцией.
Используя опыты холостого хода (XX) и короткого замыкания (КЗ) по ^оду и выходу НЭ можно определить основные параметры преобразователя.
При КЗ выходе ПрЧ (Un„ = 0) из (15.74), (15.75) находим крутизну преобразования
К Snp = V2 (15.76)
п КоэФфициент пропорциональности между амплитудой выходного тока на межуточной частоте и амплитудой напряжения сигнала на входе при КЗ оде НЭ (по определению S = I^./U-). Для случая простого преобразова-l)Snp = S,/2.
1Я слУчая к = 0 (значение крутизны постоянно — определяется постоян-<1$ -СОставляющей разложения в ряд Фурье) преобразования не происходит ) и составляющая с частотой ш11р не создается, ПрЧ является усилителем Ан°го сигнала.
572
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Выходная проводимость ПрЧ (gH = 1,их/и,их) вычисляется при КЗ входц (Uc = 0) определяется постоянной составляющей (15.74, 15.75) проводимости (составляющая с частотой flip существует только при m = 0):
822 п₽ 8220 1 пр (15-Ти
и часто называется внутренней собственной проводимостью, обратной внут. реннему сопротивлению преобразователя. V
Внутренний коэффициент усиления преобразователя:
Рпр ^np/8?2np S,.pRt пр- ) 1^-78)
Как следует из (15.61) в ПрЧ наряду с прямым возникает и обратное пре. образование т. е. появление на его входе составляющей с частотой сигнала f при наличии составляющей с частотой fn4 в нагрузке смесителя. ИспольЛ рассмотренную ранее методику анализа ПрЧ для прямого преобразован«| (15.63) и разложив входной ток в ряд Тейлора по двум переменным uc, uw к, ограничиваясь линейными‘стенами, получим:
i, = f,(ur) + |b_u £ + -£!±-u (15.791
^np
где:
f|(ur) = iw(ur) = i|r
— входной ток смесителя при действии напряжения гетеродина;
^!=й^ц£)=у(0
c?u с duc
— дифференциальная входная проводимость НЭ;
^1 _^*»^Unp)=v
(15.80)
(15.81)
(15.82
— дифференциальная проводимость обратной передачи.
Представляя (15.81), (15.82) разложениями в ряд Фурье и учитыва* (15.55), получим значения комплексных амплитуд входного тока НЭ: 'Я
где gll0 — дифференциальная входная проводимость НЭ на частоте сигнал3* определяется как gll0= VU:» при = 0 (КЗ на выходе смесителя).
Очевидно, что обратное преобразование отсутствует при = 0, Вно Система уравнений (15.74) и (15.83) описывает некоторый эквивалент#
4-полюсник (ПЭ) преобразовательный элемент (НЭ объединенный с гсТЯМ дином) линейной системой Y параметров:
(15.S4'
Лабораторная работа № 15
573
По форме система линейных уравнений, описывающих ПрЧ, совпадает с писанием усилительного каскада, где параметры усилительного элемента за-°меНены параметрами преобразователя.
Комплексный коэффициент передачи преобразователя:
id*
K^Up/lk
Напряжение на нагрузке ПрЧ:
ипр=-1пЛ’
(15.85)
с учетом фазы между выходным током и напряжением на нагрузке, тогда комплексный коэффициент передачи:
(SnpUt ^g;a,Unp)ZH = Мпр Ue l + R.npY.’
(15.86)
где X, - 1/4-
Коэффициент усиления (15.86) зависит от частоты, поскольку сопротивление нагрузки изменяется с изменением от частоты. Если нагрузкой является колебательный контур, то максимальное усиление будет при резонансе, т. е. когда
«пр = “про- (15.87)
Тогда частоты сигнала, при которых существует резонанс выходного контура:
«со = «пр о - Кшг- при «про>к«р (15.88)
<*>«.„ = кшг - при <0вро < ко,; (15.89)
“<о = к“г + “про- (15.90)
Отсюда видно, что для фиксированных значений частоты гетеродина и резонансной частоты выходного контура резонанс наступает для нескольких рачений частоты сигнала, что отличает преобразователь частоты от реэонанс-401,0 Усилителя.
7.3 Побочные каналы приема
3Ует^°СКОЛЬКу в супергетеродинных преемниках обычно к( > fnpc> то как сле-*° (15.89), (15.90) на частотах входного сигнала:
(15.91)
•со Г — 'про
НОК) ается резонанс, при крутизне преобразователя Snp = SB/2, зависящей от ГаРмоники Частотная характеристика преобразователя — зависимость к ^Рфиццента усиления от частоты сигнала имеет вид (рис. 15.59).
574
Глава вторая. Описание лабораторных рииит пи м »
К
Рис. 15.59
Значение модуля коэффициента усиления К„,о на частотах входного сигма, ла (15.91). обеспечивающего резонанс в нагрузке. Z„ = R„ = l/GM имеет вид
^пр^я = С D р О °nplS Кн/К,Пр
К = ——^пр про I^RinpG„
(15.92
где R,= R„/(l + R„/R,np).
Как видно из рие 15.59 напряжение на выходе ПрЧ появляется пр* воздействии на его входе сигналов с частотами, при которых выходное напряжение находится в полосе пропускания выходного колебательного 1® тура. Напряжение на выходе ПрЧ появляется различными путями за с* использования рахтичных составляющих, периодически изменяющейся ф тизны НЭ. Составляющая на частоте ^,= fni,o, которая получается соглаей (15.70) при к = 0 и дает наибольшее напряжение на нагрузке без преобраз»-вания частоты при крутизне So, определяемой крутизной в рабочей точке и. статической ВАХ.
Сигналы с частотами fr±fnpo принимаются (создают на выходе ПрЧ л?:-межуточную частоту) за счет использования первой гармоники крутизны 5г а сигнал 2fr±fBpo за счет использования второй гармоники крутизны S, И W Таким образом, возможно одновременное усиление сигналов на промежут*
ной частоте из рахтичных частотных каналов.
Используя, например, в качестве основного канал с частотой fc = fr"mF остальные считаем дополнительными, паразитными. Для симметрично ложенного относительно частоты fr, канала с частотой = fr + fnpe., >|а3Мщ' мого зеркальным, напряжение на выходе ПрЧ создается с таким же коэ4< циентом передачи, как и для основного канала, определяемого крутизной
Дополнительные каналы приема у преобразователя приводят к тому. . вместе с полезной станцией, супергетеродинный приемник принимает мешающих станций, работающих на рахтичных частотах. Для умснь вредного воздействия мешающих станций надо выбирать режим работы при котором крутизна преобразователя для дополнительных каналов мала. Поскольку крутизна преобразования для основного и зеркального лов одинакова, то необходимо устанавливать на входе ПрЧ избиратеЯ систему, которая уменьшает напряжение частоты зеркального канала, временно она ослабляет и другие побочные каналы Это осуществляв
Лабораторная работа № 15 57$
преселекторе, устройстве установленном до преобразователя и осуществляющего предварительную фильтрацию полезного сигнала.
Дополнительные каналы приема приводят к искажениям принимаемого сцгнала даже при наличии лишь одного передатчика, так как если основной санаД вследствие умножения на ЦЭ преселектора частично или полностью □впадает с частотой одного из дополнительных каналов, это приводит к появлению напряжения промежуточной частоты, полученного двумя путями. Зго приводит к интерференционным искажениям в виде биений и при приеме телефонных сигналов искажений в виде свистов. Избавиться от интерференционных искажений с помощью преселектора невозможно. Уменьшить их можно выбором промежуточной частоты, при которой исключается совпадение частот основного и побочных каналов приема (гармоники и субгармони-кИ промежуточной частоты не должны попадать в диапазон принимаемых частот).
Для достаточно малых уровнях входного сигнала роль побочного канала может выполнять канал прямого прохождения, когда fc«fnpo.
При уровнях сигнала на входе ПрЧ требующих описания его свойств нелинейной моделью, недостаточно ограничиваться линейными членами разложения выходного тока в ряд Тейлора (15.63) и требуется учитывать члены более высоких порядков. Воздействие достаточно большого уровня входного сигнала, сравнимого с уровнем напряжения гетеродина, приводит к возникновению нелинейных искажений по частоте сигнала (появление гармоник на частотах кратных частоте сигнала). Напряжение на выходе ПрЧ будет определяться частотными составляющими:
<опр = кшг + шйс, при к<ог < шпр; (15.93)
сопр = кшг - т<ос, при ксог > шпр; (15.94)
шпр = тас - Кео,. (15.95)
Поскольку в супергетеродинных приемниках обычно со, > шпр, то (15.93) пРинимать во внимание не будем. Дтя полосового фильтра на выходе ПрЧ, Реализованного в виде одиночного колебательного контура, условием появле-Ния выходного напряжения является сопр = шпр0. Это позволяет получить значения частот сигнала сосо, при которых возможно появление напряжения ^межуточной частоты в полосе пропускания колебательного контура (из 05 93), (15.95)):
ш = kt°r 1 ю">« (15.96)
“ m
^Чевидно, что это приводит к появлению дополнительных паразитных при^1ов пРиема, при тп * 1. При к = m = 2 возникает два паразитных каната Нал QMa ПолУзеркальной частоты fm = fr±l/2fnp = fc±l/2fnp. Полу зеркальный ка-Ле>ггореНЬ ^лизок к частоте полезного сигнала и его трудно подавить в пресе-
Меньщение уровня входного сигнала и выбор режима работы НЭ позво-’Ига((СНизить число дополнительных каналов приема, Этого же эффекта дос-пРИменением достаточно избирательных преселекторов.
576
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Повысить степень подавления главных паразитных каналов приема f f f можно используя двойное преобразование частоты, когда относительно вц’ сокая первая промежуточная частота fnp, позволяет подавить зеркальный канад применением достаточно простой схемы преселектора (часто неперсстраивай
мой даже в диапазонных приемниках). Сравнительно низкая вторая промежу. точная частота fnp2 облегчает формирование требуемой АЧХ фильтра в нагруз. кс ПрЧ2 (подавление соседних каналов).
При приеме AM сигнала воздействие на ПрЧ достаточно мошной помещ приводит к появлению амплитудной модуляции полезного сигнала помехой -возникновению перекрестной модуляции. Это приводит к прослушиванию мешающей станции.
8 Литература •
I. Радиопремные устройства / Под ред. проф. Н. Н. Фомина. М.: Ралиогр связь. 2003.
2. Разевиг В. Д. Применение программ P CAD и PSpicc для схемотехн» ческого моделирования на ПЭВМ. В 4-х вып. — М.: РиС. 1992. (И
3. Головин О. В Радиоприемные устройства. М.: ВШ, 1997. С. 153—174.
4. Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7.
М.: Горячая линия—Телеком, 2003 364 с.
5. http://WWW.spcctrum-soft.coni/denioform.shtm (адрес в Internet для по лучения студенческой версии ССМ МС).
Лабораторная работа № 16
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО РЕЗОНАНСНОГО УСИЛИТЕЛЯ
1 Цель работы
Изучение свойств резонансного усилителя на биполярном транзисторе и исследование влияния величины связи контура с транзисюром и нагрузкой на его усилительные и избирательные свойства; исследование влияния внутренней обратной связи в транзисторе на технические характеристики предыдущего каскада с применением системы схемотехнического проектирования Micro Сар 8 (МС8). L1
2 Задание по расчетной части
Для второго каскада двухкаскадного резонансного усилителя на биполярных транзисторах (рис. 16.2): 1
2.1. Рассчитать коэффициенты включения пс,гл. обеспечивающие согласование контура с нагрузкой, а также коэффициент усиления и паюсу пропускания (по уровню 0,707) для каждого из коэффициентов включения транзи-
Q2 в контур m = 1,0; 0,5; 0,3; 0,1. I
2.2. Определить оптимальные коэффициенты включения пт^,, и тран-Зисгора Q2 и нагрузки (R11) и соответствующий им коэффициент усиления По напряжению для паюсы пропускания (по уровню 0.707) 12 кГц.
3 Задание на компьютерное моделирование
Произвести экспериментальную проверку результатов расчета псо(, в величины коэффициента усиления и паюсы пропускания второго резонансного усилителя.
Оценить коэффициент усиления и паюсу пропускания второго кас-
”ма Резонансного усилителя для nim и п„„. рассчитанных в п. 2.2
Ф 3.3. Для m = 0.5 и п = п оценить влияние внутренней ОС транзистора На частотные свойства первого каскада по сравнению со случаем отсутст-°братной связи (т = 0).
214
5/M I.IQ6Q вторим. UHUIUHUC Лиии]ДЫП1>рл1ЛД pwwt u* >• •
4 Методические указания по выполнению работы
Исследование свойств компьютерной модели усилителя предполагает; И • что студенты знакомы с основами работы операционной систем.
WINDOWS 98(или более поздними версиями);
> имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии по указанному в п. 7^ стоящего описания адресу получить инсталляционные фа»1лы студсНч~ ской версии программы mc8demo.exe (или приобрести эту программу^ CR дисках).
После установки и запуска программы mc8dcmo ехе в верхней части на монитора появляется окно главного меню с панелью команд (рис. 16.1).
Рис. 16.1
Затем необходимо загрузить принципиальную схему транзисторного каскадного усилителя, находящегося в файле VRLCAM.CIR. Для этого вЫ рают режим FILE основного меню, на выпадающем подменю OPEN в пз DATA отыскивают файл VRLCAM.CIR и нажимают на кнопку ОТКРОИ В центральном окне должна появиться принципиальная схема днухкасКЯ^И резонансного усилителя, приведенная на рис. 16.2. Следует убедиться в ветствии параметров вызванной схемы и приведенной в описании. Дтя необходимо сопоставить тип и значения номиналов элементов, привеДЙ^И на принципиальной схеме описания и представленных на экране ИЗ <М
pUUUUiU /У
579
VRLCAM.CIR. (При отсутствии файла VRLCAM в полученных методических материалах необходимо ввести принципиальную схему (рис. 16.2) исследуемо р, усилителя самостоятельно Дзя этого в меню главного окна выбирают ко-м3нду FILE, затем в ниспадающем меню строку New и последовательно вводят элементы принципиальной схемы описания).
Рис. 16.2
В лабораторной работе исследуются свойства двухкаскалного резонансно-143 Усилителя на транзисторах КТ 316D. К одиночным колебательным конту-₽ам в коллекторных цепях как первого, так и второго каскада, частично под-^•очсны выходное сопротивление транзистора с одной стороны и нагрузки — Ч’угой. Для первого каскада роль нагрузки выполняет входное сопротивле-‘je второго каскада, а для второго каскада нагрузкой является сопротивление
• Входное воздействие — гармонический сигнал с частотой 465 кГц, на ко-НастРоены °ба контура усилителя. Сопротивления R5 и R9 отражают ^венные потери в реальных контурах и являются сопротивлением R1(C НтУра на резонансной частоте. Частичное включение в контур первого кас-нк Со СТОР°НЫ транзистора Q1 обеспечивается автотрансформаторным учением,а со стороны транзистора Q2 — емкостным делителем С5 и С6. Дац*1ТС|’'он КОНТУР выходное сопротивление транзистора Q2 включается с за-Кагт»1*14 коэФФициентом включения ш, выбираемым переключателем SI, а рузка — с коэффициентом включения п, выбираемым переключателем S2.
Режим работы транзистора QI по постоянному току I,ol - I мА, а транзите Q2 — 1,с?— 3 мА, и напряжения Ukj0, примерно 5—7 В, обеспечиваетсяп(Г I R4. а также R8 и RI0, соответственно. Напряжение U6.y, задастся де.титеЛ Rl. R2 и Rt>. R7 для транзисторов QI и Q2, соответственно. Стабилизаций жима работы транзисторов по постоянному току обеспечивается резисторе R3 и R8 за счет отрицательной обратной связи. Параметры контуров и тЛ зисгорон .тля указанных рабочих режимов представлены в приложении. 9
При необходимости коррекции некоторых элементов принципиален схемы необходимо вначале удалить соответствующий элемент (компонент нажав левой кнопкой мыши стрелку в третьей строчке окна главного мец» активизировать режим Select Mode редактирования элементов или ком по А тов схемы. Затем, подведя курсор к компоненту, щелкнуть левой кно)Ж мыши. При этом подсвечивается, обычно зеленым цветом, компонент илисц ответствующий текст на принципиальной схеме и затем, войдя в режим EDI1 выбирают CUT и удаляют необходимые атрибуты. Трудности при удалД| элементов или вводе новых, а также другие вопросы, возникающие в процесс? моделирования, устраняются при обращении к программе HELP глашед,
Применяемые в принципиальной схеме наиболее часто встречающие компоненты (конденсаторы, резисторы, индуктивности) размещены на вирой строчке меню главного окна. Выбрав курсором необходимый компонент, активизируют пиктограмму левой кнопкой мыши. Установив курсор в нужном месте окна редактора схем, нажимают левую кнопку мыши. При отпусм нии левой кнопки местоположение компонента фиксируется, и в ниспал» шем меню (рис. 16.3) появляется название компонента и предложение нра-своить ему позиционное обозначение PART (предлагаемое обозначав может быть изменено на любое при активизации указанной строки леев* кнопкой мыши).
Перемещение компонента на экране производится при нажатой л^В кнопке, а при необходимости изменить положение компонента щелкают V вой кнопкой при нажатой левой кнопке.
Затем указывается величина VALUE компонента. Присвоенное ком!®' ненту обозначение и величина будут изображаться в главном окне при ввв* принципиальной схемы, если подсвеченный параметр помечен галоЧ» SHOW (рис. 16.3). При вводе значения параметров допускается исполыкж нис масштабных коэффициентов:
Масштабный коэффициент может содержать и другие дополнится» символы, которые программа игнорирует. То есть величина емкости в 5 может быть введена: 5 PF или 5 Р или 5E-I2. В ниспадающем меню вводиться информация о мощности, рассеиваемой на компоненте, типе 1
лабораторная работа Л» 16
5S1
Рис. 163
пуса. стоимости, что необходимо для дальнейшего использования в программе PCAD при разработке топологии печатной платы и опенке стоимости устройства (если это предполагается в задании). Подтверждением окончания виола любого компонента является нажатие клавиши ОК. Если какие-либо сведения введены неверно, то нажатие кнопки Cancel отменяет всю введенную о компоненте информацию.
Транзистор типа NPN, который выбирается пиктограммой на второй СтР°чке главного меню, устанавливается в схему, как описывалось ранее, и на ниспадающем меню выбираются: PART позиционное обозначение ^мпонента. его тип VALL E и MODEL — используемый транзистор KT3I6D 'Рмс. 16.4).
Поскольку в библиотеке транзисторов, предлагаемых в активированном к,1с справа, нет транзистора КТ 3I6D. то необходимо ввести параметры мо-и транзистора в подсвеченных окнах числовою массива Source: Local text of C:\MC8DEMO\DATA\VRLCAM. предварительно нажав кнопку New 16.4) (вместо представленных на рисунке): "
R !S « 3.306F, BF = 153.6, VAF = 86 3, 1KF = 2.47, ISE = 3.306F. NE = 1.36,
3.375, VAR = 40, 1KR = O.85. ISC = 33.2F, NC = 2. RB - 23.2,
L345, CJE = 30.64P, VJE = 0.69, MJE = 0.33, CJC = I8.71P. VJC = 0.69,
XC *0.31. FC = 0.5, TF = 267.9P, XTF = 2, VTF = 65. 1TF = 0.785,
K*S8.87N, EG = 1.11, XTB = 1.5, XT1 = 3. ,
582
Iлава вторая, описание даоорапюрных риоот по ис и rupj
Рис. 16.4
Модель генератора гармонических сигналов выбирается на панели ко пакетов главного окна, присваивая обозначение PART (VI) и тип мо! MODEL SG. Параметры модели F, A, DC и г. д. вводятся в соотвстств» рис. 16.5.
Величина напряжения источника питания V2 принимается равной Подключение его в схему должно проводиться с учетом типа проводи»
транзистора.
Соединительные линии между элементами схемы прочерчивают. ис1 зуя кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode на панели ИН ментов (рис. 16.6).
Ввод индуктивности осуществляется входом в режим Component схем с последующим выбором на закладке Analog Primitives, затем I Components и Inductor (рис. 16.7). fj
Повторный ввод индуктивности упрощается и осуществляется вы команды Component во второй строке меню главного окна и на выпада
jiauopa торная раоота .У? 16
593
Рис. 16.5
Рис. 16.6
584 Глава вторая, описание лаоиритирныл. ришт ни ш и л ч?*
подменю строки Inductor или нажатием на пиктограмму обозначения индн тивности на строке компонентов окна схем.
Удаление неверно проведенных линии проводится аналогично удалеНИ® компонентов.
Подключением обшей электрической «земли* завершается ввод прима11’ пиальной схемы. Условное обозначение «земли» находится на панели ком!» нентов. Затем проводится нумерация узлов нажатием кнопки Node Nuroy на панели инструментов (рис. 16.6). Следует заметить, что принятые обозЯ> чення компонентов, как и их величина, будут отображены на принципе® ной схеме вместе с компонентами только при активизации кнопок Grid Т® Attribute Text панели инструментов.
Перед выполнением экспериментальной части задания к лаборатоРД работе необходимо обеспечить режимы работы транзисторов по постояи^г току. Для этого, выбрав команду Analysis строки команд окна схем, на ке активизируют строку Dynamic DC (рис. 16.8).
На выпадающем подменю Dynamic DC Limits (рис. 16.9) подсвеЧв^И пиктограммы позволяют:
• отображать на экране монитора сведения (вид анализа, значение рату'ры, при которой проводится анализ);
• указывать обозначения компонентов;
• указывать номера узлов;
Лабораторная работа № 16
585
Рис. 16.8
Рис. 16.9
586
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
• указывать значения постоянных напряжений в узлах.
Активизацией пиктограммы «токи в ветвях» (рис. 16.9), можно получид значения постоянных токов экране монитора вместо выведенных на экра» значений напряжений (устраняются повторным нажатием на пиктограмм «напряжения в узлах»). 9
Анализ может быть проведен для некоторого списка значений температур (Temperature List), если он указывается в строке, и шага изменения величину сопротивления резистора в процентах (Slider Percentage Step Size) при каждое нажатии на кнопку Up Arrow (увеличение) и Down Arrow (уменьшение).
Значения постоянных составляющих коллекторных токов Ikol, ^должны составлять I + |0,05| mA и 3 +|0,05| mA, соответственно. Уточнить значения постоянных составляющих коллекторных токов транзисторов и, если есть не-обходимость, добиться указанных значений, изменяя величины сопротивлении соответствующего делителя, эмиттерного, коллекторного сопротивлений (при правильно собранной и содержащей указанные элементы принципиальная схема рис. 16.2 обеспечивает указанные режимы работы транзисторов). Завершив коррекцию элементов принципиальной схемы усилителя и активизировав пиктограмму Currents левой кнопкой «мыши» в меню панели инструментов окна схем, удалите значения постоянных токов в цепях усилителя^ чтобы не загромождать схему дополнительной информацией.
Для выполнения п. 3.1 необходимо принципиальную схему резонансного усилителя изменить, оставив только второй каскад. На его вход подключаем источник гармонического сигнала SG. Эго можно сделать, используя кнопку Select Mode главного меню (нажав на левую кнопку «мыши», обвести рамкой элементы принципиальной схемы рис. 16.2 Q1 и С1, а затем перетащить вместе с частью соединительных линий на вход второго каскада; аналогичный результат можно получить удалением компонента VI и повторным вводом уже
при включении его в новом месте схемы). Элементы схемы первого каскаЛ не участвующие в эксперименте, закорачиваем, чтобы исключить влияние W исследуемый каскад В результате принципиальная схема усилителя (рис. 16.2) примет вид (рис. 16.10).
Следует обратить внимание на то, что проведенные изменения приниа-пиальной схемы могут привести к изменению нумерации узлов (рис. 1^1 что необходимо учесть при выборе пределов анализа подменю АС комвЛ Analysis меню главного окна. Переключатели SI и S2 позволяют устанавЯИ вать (с некоторой точностью) рассчитанные или указанные в задании зна<*^ ния коэффициентов включения в контур m выходной проводимости тРа>*\5 стора Q2 (g;2) или сопротивления нагрузки R11 (п на рис. 16.10). ВыбранН^ коэффициент включения получают перемещением соединительной лиН^ между соответствующим отводом катушки индуктивности и переключателя SI или S2. Перемещение соединительной линии осуществляется курсор^И режиме Select Mode и нажатой левой кнопке «мыши». Установив требуе . значения коэффициентов включения m и п, входят в Analysis и затем, в падающем меню в режим анализа частотных свойств АС. В подменах Limits Analysis нажимают кнопку Run (рис. 16.11) и получают АЧХ втогЧ каскада (рис. 16.12).
Лабораторная работа №16
587
.0 Е
С:<пхгмг< *rdrw* Opttr* АпаМ* Ое*<Г ’*Л|
C:\MC8
^"АТейЛМйШХЮЬ/ _____ |_«| _J »Г
чр®2__fZZ___________________________ I ~ *
Рис. 16.10
пуск *и .'«БгХоЮл»; * П ^оа«в 1ДО. в<;ш
Рис. 16.11
*
□ X
ь
нач соответствие с рисунком 16.11 на экран выводится только одна частот-^НиХарактсРистика. Можно задавать и предъявление на экран, например, сше АоНк ИМости входного напряжения о частоты, указав, соответственно, в ко-^ДИН; цифру 2 (тогда будет изображен отдельный график в своей системе <Ооп4ИНат^ или ЦИФРУ 1 (тогДа будет изображено два графика в одной системе
ЛиНат). В колонке XExpression указывается частота F (ось Х-ов), в колон-
588 Глава вторая. Описание Лабораторных работ по ОС и РПрУ
Рис. 16.12
ке YExpression указываются узлы в которых будет определяться напряжение (или отношение напряжений в каких-то узлах и др.). В последующих колонках указываются в формате с фиксированной запятой: верхнее значение, нижнее и шаг, с которым предъявляется информация о частоте (по оси X) или амплитуде (по оси У).
На рис. 16.12 показан возможный вариант частотной характеристики второю каскада (для указанных на рис. 16.11 значений компонентов и коэффициентов включения). Для точной оценки значения резонансной частоты и величины максимума коэффициента усиления на панели инструментов выбирают пиктограмму Peak (рис. 16.12), определяя значение максимума коэффициента
усиления и соответствующей ему частоты.
Если при этом для выбранных значений m и п резонансная частота отЛ***’ чается от 465 кГц более, чем на |0,1| кГц, необходимо, изменяя С8 (рис. 16 lw> обеспечить допустимую величину отклонения Процедуру подбора нужно™ | значения С8 можно существенно облегчить, используя в подменю AC AnalyS** I units кнопку Stepping. Кнопкой раскрытия окна в строке Step What, ПОЛНЕВ ясь линейкой прокрутки, активизируем строку С8. Нажатием на нее первой дим в режим пошагового изменения выбранного компонента С8 (рис. 16-13И
Изменение емкости С8 в выбранном примере (рис. 16.14), происход 341.4 нФ (From) до 343 пФ (То) с шагом 0.2 пФ (Step Value). Закон измене*^™ шагя н ппоцессе анали ia выбирается линейным (помечая точкой Linear в р3* j
Лабораторная работа Л? 16
589
Рис. 16.13
Рис. 16.14
Ке Method). Профессиональная версия МС8 позволяет варьировать одновременно двадцатью параметрами, описывающими компоненты и модели. Вер-MC8/dcmo допускает вариацию лишь одного параметра компонента или одели, что помечается точкой в рамке Parameter Туре (выбирается Comment).
I В рамке Change (изменение! выбирается (помечается точкой) способ и> I лаНеНия шага ПРН вариации параметра элементов: только во вложенных ник-I Па' ПрогРаммы (Step variables in nested loops) или всех подлежащих изменению Р^метров одновременно (Step all variables simultaneously). В первом случае I |^1с1йует возможность независимого выбора шага для каждого параметра. 8м Вт°Р°м случае необходимо изменять варьируемые параметры с одинако-L м шагом, что ограничивает анализ всего одним возможным вариантом.
590
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Кнопки в нижнем ряду All On, All Off включают режим варьирования (Step м перечисленных на всех закладках в режиме Stepping параметров. Кнопка) Default по умолчанию задает изменение варьируемого параметра от половин-1 ного до двойного значения от его номинальной величины. Подтверждений выбранного режима анализа и вход в него осуществляется нажатием кнопки ОК. Для получения разнесенных по частоте характеристик изменим предел^ анализа, войдя в подрежим AC Analysis Limits (рис. 16.15). Для этого необхо-димо выполнить последовательно (из подменю Stepping) ОК —► АС Limits -> AC Analysis Limits. ^Я
Рис. 16.15
кривых в зависимости от значения емкости С8 представлены
режим анализа частотных характеристик АС из подменю нажатия кнопки ОК происходит или нажатием «горячего
Семейство на рис. 16.16.
Переход в Stepping после ключа» F2, или команды АС в меню главного окна и затем, на ниспадаю-
щем меню строки Run. При этом вместо одной кривой (рис. 16.12) АЧХ появляется семейство кривых, положение которых определяется величиной емкости С8. Выбирая курсором одну из полученных кривых, можно получить кроме текущего значения частоты и коэффициента усиления, величину емкости, при которой она рассчитана (отображается на нижней строке монитора, рис. 16.16). 'Я
Для оценки максимума кривой при минимальном значении емкости С8 нажимаем на пиктограмму Peak; при этом кривая подсвечивается обычно серым цветом. Затем, передвигая курсор по вершинам кривых, выбрать кривую, у которой значение максимума ближе всего к 465 кГц. Маркер при этом У*а* зываст значение емкости, соответствующее этой кривой. Нажав на пиктограмму Go То Branch (рис. 16.16), перейти на выбранную кривую, исполЫУ* линейку прокрутки. Выбрать значение емкости С8 (подсвеченной строко окна С8 Value) и, нажатием на кнопку Right, указать, что положение правЛЧ маркера будет определяться на кривой, соответствующей этой емкости (рис. 16.17). Используя повторно линейку прокрутки можно выделить apy'O^j кривую (для другого значения емкости С8) нажатием на кнопку Left. Нажат»*' см на кнопку Close закрываем подменю Go То Branch и на семействе АЧХ П°"
jjuuupumuprian f/ииипш nr л </
ЗУ/
ОМкто-Ctp 8.1.0.0 Evaluation Venion > (AC Analysis) . |C X
- ^сйа'|*?7 a p g *si i e<n _
a $7тizs-i ► 1Гл'/ аэ:и эл >•-*>. v-л > ;* >-^ai >. ъ <n i
f»c
514
fThis lets you select ana color a ten ano nght tranrh to- earn curv»
CuscrMole
J пуск О**«УС-а«» ..
Iwfiti» e. eCSarsi
ЗМкго-Сар 8.1
Рис. 16.16
Evaluation Version - (AC Analyss|
D - c.’rtlrw.. ЛС S-м* MxW
Go To Branch
1 13 - G»iS t (Г-г T tfl»- II ZZ QE ВВСЭП^
1ХЙ^М-
K«y< | Ok* | От^>»
!±_J
to OX
». 0-:*j4Ez-r.
URXM4C₽C
•exe*.......—.......
мю4- .............
------
*xc*>:
У?7/*Г> Г Hn L* «Of voce
45; саж до cook <м ооои.
Ls* k.3m
62 MJ 2* ! И
•M 70 r- icoaocok
' [His tets you setect соки а I» И ani ngiu branch for each curat
469 xe*
Ceti
514 71Ж
9X«
76? Ям i же
Е)ь*спХф«
FT» 15 r>eFl-b*Ha *) -•*€? 16 - Ms. ^6 rU6r&;j«t & ♦ G? Э0 >
Рис. 16.17
592
Глава втирая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
являются две кривые, подсвеченные разными цветами, соответствующие ньк бранным значениям емкости С8.
Закрыв подменю нажатием Close, размешаем курсор левее вершины ы,|-1 бранно» кривой и нажатием на пиктограмму Peak помещаем маркер на MaU симум выбранной кривой. Эту процедуру можно заменить ручным перебороц значений емкости СМ.
Отмена режима пошагового изменения емкости С8 осуществляется уста! новкой точки (No) в рамке Step It подменю Stepping.
Обеспечив необходимую точность установки резонансной частоты конту( ра второго Каскада, проводят расчет АЧХ для определенных в п. 2.1 значений п«,гл и соответствующих им значений т. По полученным кривым оценивают величину резонансного коэффициента усиления и полосы пропускания (Примечание: при выполнении п. 3.1 в качестве ircr. переключателем S2 устанавливают ближайшие к рассчитанным значения п). Для каждой пары выбранных значений проводится настройка колебательного контура на резонансную частоту с заданной точностью, используя режим Stepping или ручным подбором значения емкости конденсатора С8. 1
Результаты заносятся в таблицу 1.
Таблица I
Выполнение п. 3.2 проводится по аналогичной методике с внесением ре* зультатов исследования в таблицу 1 (режим оптимального рассогласования).
обеспв'
Для выполнения п. 3.3 задания необходимо для m = 0,5 и п = пСОП1
чить настройку контура второго каскада на частоту 465 кГц с требуемой Ю4’ ностью Затем требуется реконструировать принципиальную схему усилитсЛ соответствующую рис. 16.2. При этом может произойти изменение нумераций
узлов, что необходимо учесть при проведении эксперимента.
Установив переключатель S1 во втором каскаде в положение, соответет* вуюшее ш = 0 (условие отсутсгвия паразитной ОС), п — произвольное, no.tr чают нормированную по напряжению на входе каскада частотную характеру стику первого каскада (V8/V2). Определяют точное значение резонансов частоты (и при необходимости корректируют, изменяя значение емкости резонансный коэффициент усиления и полосу пропускания.
Затем устанавливаются значения ш и п в соответствии с п. 3.3 заданМ* снова входят в режим анализа частотных характеристик. Проводится сравН** тельный анализ полученных частотных характеристик в тех же узлах (изМСН©^ .........."‘илв и:м-тггты. коэффициента усиления, деформацию АЧХ).
•ftutrufuiHOfmu/t pufjtmtu iu
5 Содержание отчета
5.1. Цель работы
5.2. Принципиальная схема исследуемого каскада.
5.3. Исходные данные для расчета. . ,
5.4. Расчеты, проведенные в соответствии с разделом 2.
5.5. Таблица сравнительных результатов и распечатки АЧХ входного каскада при наличии и отсутствии обратной связи в соответствии с разделом 3.
5.6. Краткие выводы. ,й.
6 Контрольные вопросы
6.1. Экви патентная схема активного четырехполюсника в системе Y-napa-метров.
6.2. Коэффициент усиления одноконтурного резонансного усилителя. г
6.3. Модуль резонансного коэффициента усиления одноконтурного резонансного усилителя.
6.4. Входная проводимость резонансного усилителя в системе Y-параметрон при наличии внутренней паразитной ОС.
6.5. Условия достижения максимального коэффициента усиления (согласование с источником сигналу с нагрузкой, «рптимальнре рассогласование»),
6.6. Зависимость резонансного коэффициента усиления от m при п = п^..
6.7. Зависимость резонансного коэффициента усиления одноконтурного резонансного усилителя от п при m = const. 1 _ Г
6.8. Внутренняя обратная связь в биполярном транзисторе, причины ее возникновения и способы ее уменьшения.
6.9. Активная составляющая входной динамической проводимости OC.ee зависимость от частоты и влияние на АЧХ входного усилителя.
6.10. Реактивная составляющая входной динамической проводимости ОС, се влияние на АЧХ входного усилителя. <
6.11. Коэффициент устойчивосги резонансного усилителя. Количесгвен-йая оценка, физический смысл. " Л '
6.12. Влияние параметров активною элемента на устойчивость резонансно усилителя.
6.13. Влияние внутренней ОС на устойчивость резонансного усилителя.
6.14. Влияние режима работы транзистора на устойчивость резонансного
^Р^лителя. । , - нпо/л
6.15. Влияние коэффициентов включения (тип) на селективные свойст-
63 Резонансного усилителя
7 Краткие теоретические сведения
7.1 Коэффициент усиления резонансного усилителя
К основным параметрам резонансного усилителя относят: коэффициент 1’ления, избирательность, коэффициент шума, искажения сигнала и устой-
594
Глава вторая. Описание лаоораторных раоот по и riipj
чивость. Устойчивость ДЛЯ усилителей означает способность сохранять усили-тельные свойства в процессе эксплуатации при допустимой (заданной) величине искажений (отсутствие самовозбуждения для усилителей является условием, необходимым, но недостаточным для обеспечения требуемых технических по-' казателей для усилительных устройств). | I
В качестве активных элементов в усилителях радиоприемных устройств используются биполярные транзисторы (БТ) и полевые транзисторы (ПТ) включаемые обычно по схеме с обшим эмиттером (ОЭ), (ОИ), реализующие
наибольшее усиление мощности сигнала.
Анализ свойств РУ резонансного усилителя проводится при замене БТ. как линейного активного четырехполюсника, моделью электрической (обычно в системе Y — параметров) или физической (обычно П — образной). 1
Эквивалентная схема резонансного усилителя при описании БТ системой
Y — параметров с одиночным колебательным контуром, включенным в кол
лекторную цепь БТ. и нагрузкой YK при частичном включении приведена на рис. 16.18. Выходная часть транзистора включена в контур с коэффициентом включения гл, а эквивалентная нагрузка с проводимостью YH, с коэффициен
том включения п. В обоих случаях используется автотрансформаторное вклю
чение.
Рис. 16.18
Источник воздействующего сигнала отражен на схеме эквивалентным генератором тока 1, с внутренней проводимостью Yr. ’ J
Система уравнений, описывающих свойства БТ для режима малого сигна-
ла (линейного четырехполюсника) имеет вид: ' 1
II = Y1IU, + YllUa;
12 = YI(U, + где Я
Yu = Glt + j<oCI(, входная собственная проводимость БТ; (16-2)
-Yu = Gn + j®C|2, проводимость обратной передачи; (16.3)
Y2( = S/(l + jf /С$), проводимость прямой передачи; (16.4)
S = diydue, — крутизна в рабочей точке на проходной характеристик транзистора; .Ж
f, — граничная частота по крутизне (частота, на которой модуль S уменк шается на 3 дБ);
Ya = G22 + jC22, выходная проводимость БТ. (16.5)
Лабораторная работа JVg 16
595
Нагрузкой каскада является колебательный контур вместе с параллельно включенной проводимостью нагрузки YT, — входной проводимостью следующего каскада.
m = Uj/L, n = IVU — коэффициенты включения в контур выходной проводимости транзистора и входной проводимости следующего каскада, соответственно.
По закону Кирхгофа:
=
Учитывая, что транзистор включен по схеме с общим эмиттером:
12=-ИХх. (16.6)
где Yi — пересчитанная к зажимам 22 проводимость контура вместе с внесенной в контур проводимостью нагрузки X.:
X = X/m2 = (X + nX)/m2. (16.7)
где Y, — собственная комплексная проводимость колебательного контура;
Yt = GM + jwCK + l/jcoLK. обладающая собственной проводимостью контура на резонансной частоте: GK = 1/R11C и реактивными параметрами Ц и Ск.
Считая БТ идеальным невзаимным элементом, можно ограничиться влиянием только выходной его части на частотные свойства каскада. В этом случае эквивалентная схема (рис. 16.18) примет вил (рис. 16.19).
Рис. 16.19
Усилительные свойства БТ нашли отражение на эквивалентной схеме в »идс управляемого источника тока, величина которого: 1, = Ynlli- Реально к колебательному контуру усилительного каскада подключается входное сопротивление следующего каскада с такими же частотными свойствами, как и Исследуемый каскад, т. е. Y„ = G„ + jcoC„.
Коэффициент усиления каскада
К = U.7LL = Ц/U, = nUj/mU,. (16.8)
Значение выходного тока четырехполюсника (16.2) с учетом (16.6):
Ij = -U3Y-r = Х.У, + Y22L2, тогда
/U. = -Y:./(YJ3 + Y',J.
(16.9)
После подстановки (16.9) в (16.8) получаем выражение для комплексного
*ОэФфициента усиления каскада:
К = -nY2l/m(X2 + Хг).
(16 10)
596
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Эквивалентную схему резонансного усилителя (рис. 16.19) можно упростить, представив его в виде одиночного колебательного контура с пересчитанными в него эквивалентными проводимостями. Ж
Учитывая (16.7), уравнение (16.10) можно переписать в виде: <
К = -nmY21/X = -nmY21/G3( 1 + j £),
<16.11)
где Y, = Ys + m2Y2: = YK + + n2Y(, = G3(l + j$),
G3 = 1/R3 = GK + m2G22 + n2GH, (16,12)
где G3 — активная составляющая эквивалентной проводимости контура
(рис. 16.20). J
Рис. 16.20
Упрошенная эквивалентная схема идентична по свойствам одиночному колебательному контуру, что позволяет свойства усилителя вблизи резонансной частоты описывать через обобщенную относительную расстройку: 1
£ ® 2&f/f0d3; d3 = pG3; р = cn0L; ш0 = l/^'LtC3, G3 — эквивалентная активная
проводимость эквивалентного контура на резонансной частоте <о0, d3 — затухание эквивалентов контура, эквивалентная емкость контура: С, = С, + + ш2С22 + п2Сн.
Модуль коэффициента усиления из (16.11) имеет вид:
K=mn|Y2l|R,/7i7V.
(16 13)
Резонансный коэффициент усиления (S, = 0) одноконтурного усилителя:
Kfl = mn |Y2l0| R3 = mn !Y2iJ/(Gk + m’G^, + n2G J.
(16.14)
Поскольку [YjioI = S — крутизна проходной характеристики в рабочей то**? ке, то Д
К,, = mnS/(G, + m2G22 + n2Gn).
(16.15)
Даже при отсутствии влияния расстройки с, на коэффициент усиления РЧ зонансный коэффициент усиления сложно зависит о т значений пт и п. ОпРЧ делим значения коэффициентов включения в контур и пда, при которь** можно добиться максимального коэффициента усиления Ки. Для этого вна1^
Лабораторная работа J>6 16
597
ie исследуем уравнение (16.15) на максимум, вычислив dK^/dn = 0. При значении
п„, = V(G»*g«)/2G. (16.16)
достигается максимальный коэффициент усиления. Затем, считая Gs= const,
G, = GB + m?G„ + n‘GM = const. (16.17)
Подставив (16.16) в (16.15) и снова исследовав К на максимум, dIC/dm = 0, получаем
= 4/(G, - G к)/2G~ (16.18)
Подставив (16.16) и (16.18) в (16.15), напучим выражение для максималь-
ного коэффициента усиления
(16.19)
Если контур обладает низкий добротностью (dk s dj, то усиление оказывается низким (К„ г 0).
Предельно возможное значение резонансного коэффициента усиления достигается в идеальном контуре, при dk -> 0:'
К» t*i S/2^G„Ga.
(16.20)
Как видно из (16.16) и (16.18) резонансный коэффициент усиления максимален при одинаковом шунтировании контура со стороны выхода транзистора и со стороны нагрузки;
m2Gn = n;G,„
(16.21)
'По иногда называют режимом «оптимального рассогласования»,
7.2 Коэффициент усиления резонансного усилителя в случае
Г одностороннего согласования
Предельное значение коэффициента усиления достигается фактически пРи двустороннем согласовании (dK = 0). Наличие потерь в контуре исключает возможность и поэтому возможно или согласование выходной прово-имости БТ с некоторой эквивалентной проводимостью контура с перссчи-Нной в него проводимостью нагрузки: . .r • ч ст Лэии
G, :2 = nrG„ = GK + nJGMt (16.22)
проводимости нагрузки с некоторой эквивалентной проводимостью кон-включающей пересчитанную выходную проводимость БТ (рис. 16.21):
G,t< = n4G, = m7Gn + G,. (16.23)
598
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
GiH=G«»m2GH
G»22=G«+ m2G22
Рис. 16.21
Это требует выполнение условия: Gj22 - G», что возможно лишь при отсутствии потерь в контуре (GK = 0). j
На практике чаще ограничиваются режимом одностороннего согласова
ния. Нахождение коэффициента включения при согласовании с выходной
проводимостью транзистора основана на решении уравнения dKo/dm = 0 при некотором фиксированном п = const относительно т. В этом случае достигается равенство m2corJ,G22 = G, + n2GH, откуда
mc«., = V(Gk + n2GH)Ga.
(16.24)
Проведя аналогичный анализ, получим величину коэффициента включения, обеспечивающего согласование с нагрузкой nC(M1 при некотором заданном m = const, m2G22 + GK= n2coriGH, откуда
nCM„ = A/(m2G22 +Gt)/GH. (16.25)
Модуль коэффициента усиления, соответствующего режиму согласования выходной проводимости БТ с эквивалентной проводимостью нагрузки при выбранном п, получаем подстановкой тСОО1 (16.24) в (16.15): jЯ
тс 0,5 n S/^G^CGjj + n'GH).
(16.26)
Аналогично получаем выражение для резонансного коэффициента усиления при согласовании усилительного каскада с нагрузкой для выбранного пт.
Ко ж = 0,5mS/7GH(GM + m2Ga). (16.27)
Коэффициенты включения выбирают таким образом, чтобы с учетом
прироста проводимостей aG = m2G22 + n2GH обеспечивалось заданное значение проводимости нагруженного контура G, (из условия заданной полосы пропускания или требуемой устойчивости). Если важна высокая селсктив" ность каскада, то выбором коэффициента включения добиваются состояния, при котором изменение режима БТ, температуры, старение, незначительно влияло на полосу пропускания и настройку контура. Биполярные транзисторы, включенные по схеме с ОЭ, обладают сравнительно низким
входным сопротивлением (=100—300 Ом), что оказывает сильное шунтируК’" щее действие (Y„) на контур. Это приводит к расширению полосы пропус* кания. Выходное сопротивление БТ, включенного по схеме ОЭ, составляет
Лабораторная работа As 16
599
обычно десятки килоом, поэтому часто используется полное включение транзистора в контур (пз = 1). Для случая полного включения БТ в контур и заданной полосе пропускания (d, = const) и условии согласования с нагрузкой, выражение (16.23) с учетом полного включения (m = 1 в (16.17)), принимает вид G, = 2(GK + n2G„). Откуда значение коэффициента включения п при согласовании с нагрузкой: пяШ
nco„ = V(G, + 2G k )/2G н
и коэффициент усиления при этих условиях:
= S
' 2a/'g7g;< d, )
(16.28)
Сравнение (16.19) и (16.28) показывает, что резонансный усилитель при низкой нагруженной добротности (внесенные проводимости со стороны транзистора и со стороны нагрузки в контур существенно больше собственной проводимости контура G, »GK) что характерно для широкопо-
лосных усилителей.
7.3 Влияние внутренней обратной связи БТ на свойства резонансного усилителя
Соотношения, полученные в предыдущем разделе, основывались на предположении отсутствия внутренней ОС обратной связи в транзисторе (Х12 = 0). Реально эта проводимость, обусловленная в основном параметрами коллекторного — базового перехода (КБ), (| ¥121 = <оСк. где Ск — емкость КБ перехода) присутствует всегда и существенно влияет на параметры предыдущего усилительного каскада. На П-образной физической модели транзистора параметры КБ перехода отражены элементами Сж и г6к (рис. 16.22).
Рис. 16.22
Элементы эквивалентной схемы БТ отражают процессы, протекающие в Сг° структуре.
г5 — объемное!распределенное) сопротивление базы;
г6, — сопротивление между базой и эмиттером;
С*э — емкость между базой и эмиттером, равная примерно зарядной емкости эмиттерного перехода;
600
Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ'
Ск = С6.к — емкость между базой и коллектором, определяемая в основном барьерной емкостью коллекторного перехода;
г6< — сопротивление между коллектором и базой, равное в основном дифференциальному сопротивлению коллекторного перехода; J
Ui)Sn — генератор тока, управляемый напряжением на базо-эмиттсрном переходе, отражающий усилительные свойства транзистора. Л
Физическая модель БТ показывает, что причиной возникновения внутренней (внутри транзистора) обратной связи является пассивный двухполюсник, состоящий из элементов параллельной цепочки г6.к и С, Поскольку мощность на выходе усилительного элемента больше, чем на входе, то часть ее будет подаваться на вход, в базовую цепь (хотя вследствие свойств двухполюсника будет существовать и процесс прямой передачи входной мощности на выход, пренебрежимо малой по величине). Я
Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада по переменному току, являющаяся составной частью резонансного усилителя промежуточной частоты, представлена на рис. 16.23.
Рис. 16.23
Рассматривается вариант (без потери общности) автотрансформаторного
подключения транзистора к входной и выходной колебательным системам с коэффициентами включения п, и ш2, соответственно. Цепочка внутренней ОС транзистора изображена в виде проводимостей Gl2 (активная проводи-мость) и С)2 (реактивная проводимость).
Входная проводимость в точках 11 (см. рис. 16.18) определяется из перво* го уравнения системы (16.1), делением обеих частей на Ji,:
Y., = 1,/U1=Yi1 + Yi2U2/1J1.
(16.29)
Отсюда видно, что входная проводимость, подключенная к входном, контуру через коэффициент включения п„ зависит от собственной проводи*’ мости БТ (Хи), проводимости обратной передачи (Х,2) и коэффициента |ClM ления по напряжению (U2/U,). Внутренняя паразитная ОС, обусловлен*’ ная -Yl2 = Gi2 + jt>Cl2, создает на входе каскада ток 1, что равносильно воЗ* никновению входной динамической проводимости ОС: Л
V = У., U,/О,. (16/Мв
После подстановки Uj/Lli из (16 9) с учетом (16.11) и рис. 16.23, получаем:
.. v m?Y2i nTjY.jYjiR,, _ ,
X.OC = -Y12 - C„ K(16.31)
где Yj2. R>; — комплексная и активная составляющая проводимости выходного колебательного контура.
Так как
YijYji |Y|2Yj||c* |Y|;Yj|| (cos<p -jsin<p), (16.32)
где <p — суммарный <|>азовый сдвиг, создаваемый комплексными проводимостями прямой и обратной передачи X2I, Y|2, зависящий в основном от параметров БТ. —* .
Обозначая
А = -тД YI2Y21|R,2. (16.33)
можно представить в виде:
Х..-АС”7УПф, (16.34)
1 + к
откуда активная составляющая проводимости ОС:
G„K = А(со8Ф + ЫпФ)/(1 + , (16.35)
1 + V 1 + V
а реактивная составляющая „ а/- „ ч/. . Asinip А£со$ф
в„ос = А(51Пф - ^СО8ф)/( 1 + 52) = —--[ + . (16.36)
При малых расстройках (£ -♦ 0) значения А и <р для выбранного режима работы БТ практически постоянны.
Как видно из выражения (16.35). активная составляющая проводимости Обратной связи описывается слагаемыми, зависящими от усилительных свойств БТ, внутренней проводимости ОС, параметров выходного колебательного контура, что графически представлено кривой GM0C на рис. 16.24а. Аналогично, кривая реактивной проводимости ОС Вмос, описываемая выражением (16 36). представлена на рис 16.246.
Рис. 16.24
602
Глава вторая. Описание лабораторных раоот по ОС и гирл
Влияние активной составляющей проводимости внутренней ОС БТ на свойства предыдущего каскада проявляется в изменении амплитудно-частот-ной характеристики (АЧХ) предыдущего каскада.
При отсутствии внутренней ОС (Y,, = 0) или выходное напряжение = q АЧХ предыдущего каскада представляет колоколообразную зависимость (штриховая зависимость на рис. 16.25).
При t вносимая во входной контур GB>oe = 0 и АЧХ входного контуре при отсутствии и наличии ОС совпадают. При во входной контур вносится дополнительная (положительная) проводимость, что увеличивает потери во входном контуре (включенном в коллекторную цепь транзистора предыдущего каскада), что приводит к снижению его нагруженной добротности, т. е. к увеличению полосы пропускания.
Для расстроек 4 < ъо вносимая активная проводимость отрицательна (GMOC<0), что равносильно присутствию в каскаде положительной ОС, частично компенсирующей потери входного контура и увеличивающей его нагруженную добротность. Увеличение добротности входного контура приводит к увеличению коэффициента усиления входного каскада (см. например
(16.14), IC, = Q,p), как в любом одноконтурном каскаде. При очень сильной положительной ОС усилитель может самовозбудиться. jfl
Влияние реактивной составляющей проводимости ОС на входной контур сводится к тому, что при частотах, меньше резонансной ^<0, ВКХ(К>0. т. е вносится некоторая емкость, увеличивая результирующую, что приводит к уменьшению резонансной частоты. С увеличением расстройки BMde < 0 становится отрицательной, что равносильно внесению в контур дополнительной индуктивности, снижению характеристического сопротивления контура. ЭПч приводит к снижению коэффициента усиления входного каскада и подстрой-' ке резонансной частоты.
Реальный характер изменений АЧХ входного контура зависит от многих факторов и их взаимодействия: величины внутренней ОС, определяющей знат чсния GB>OC и Вмос и их соотношение, нагруженной добротности, коэффиий* ентов включения во входной и выходной колебательные контуры, определи*^ шие коэффициент усиления. Под действием указанных факторов входно* каскад должен сохранять усилительные свойства, а изменение АЧХ под де&Я вием паразитной положительной ОС должно оставаться в допустимых прсЯс' лах (по величине частотных искажений, изменению ширины полосы пропУ®1 кания и др.). Это определяет условие устойчивой работы усилителя, при коТЯ
Лабораторная работа .At? /6
603
рой самовозбуждение отсутствует, а деформация АЧХ возможна лишь в
допустимых пределах.
Для количественной оценки устойчивой работы усилителя вводят понятие: коэффициент устойчивости, характеризующий относительное изменение проводимости входного контура из-за внутренней ОС. Коэффициент устойчивости, определяемый влиянием активной составляющей внесенной проводимости G„K: •
•Ser + П| GKOC)/G,t,
(16.37)
где G„ — эквивалентная проводимость входного контура на резонансной частоте (рис. 16.23). Отсутствие самовозбуждения определяется условием: (G,1 + n12GMOC)>0.
Если к^, = 0, то усилитель самовозбуждается, условие = 1 соответствует максимальной устойчивости усилителя. На практике коэффициент устойчивости выбирают к)л_. = 0,8—0,9, что обеспечивает допустимое изменение коэффициента усиления входного каскада не более 20 %.
Из (16.35) с учетом (16.33) следует, что
= -m2|Y,2 Y2,|R.j:| стеф j = - m/|Yl2Y;,| Rj2 g(<₽,4), (16.38)
где g(<₽£) = (
+ q sin<p)/(1 + V)- Подставив (16.38) в (16.37) получим:
Кус, = I - ni2mJJ|YljYII|R,jR,l g(q>4).
(16.39)
При идентичности контуров на входе и выходе усилительного каскада:
К,, = R3j, п, = п2 т, = т2,
что часто соответствует практике, выражение для
резонансного коэффициента усиления при заданном коэффициенте устойчи-
вости имеет вид:
8(<РЛ) Y12
(16.40)
Исследуя функцию g(<p Л) на экстремум и выбирая наихудший случай, нодучаем выражение модуля резонансного устойчивого коэффициента усиления К_ для заданного коэффициента устойчивости к^т (допустимого искажения АЧХ):
(16.41)
Выражение (16.41) показывает значение максимально достижимого коэффициента усиления, который можно реализовать в одноконтурном резонанс-
604
l.taea вторая. i/писание лииоритирных рииот по ис и rupj'
ном усилителе при выбранном коэффициенте устойчивости. Реальный фи цис нт усиления всегда должен быть меньше
Эю достигается выбором коэффициентов включения (и, т), ослаблением внутренней обратной связи БТ (использованием транзисторов с меньшим j применением схем нейтрализации ОС или усилителей, реализованных по кУс’ кодной схеме.
8 Литература '•<
1. Головин О. В Радиоприемные устройства. М.: ВШ, 1997. 384 с.
2. Головин О. В.. Кубинкий А. А. Электронные усилители. М.: РиС, 1983 323 с.
3. Радиоприемные устройства / Под ред. Н. Н. Фомина. — М.: РиС, 2003
4. Разсвнг В. Д. Система схемотехнического проектирования Micro-С АР VI1. М.: СОЛОН, 1997. 273 с.
5, http://WWW.spcctruni-soft.com/demo.shtml (адрес н Internet для получения студенческой версии ССМ МС).
Приложение
Параметры транзистора Q2 с учетом режима работы:
1„а = 3 мА; г6. = 71,4 Ом; S = 160 мА/B;
fT = 250 МГц; Ск = 7 пФ; g2; = 200 мкСм.
Параметры контура второго каскада! '
Rx = 150 кОм; R,, = 330 Ом; L = 340 мкГн.
Оглавление
Предисловие ..................................................... 3
Глава первая. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ОТЦ..................5
Лабораторная работа № 1. Знакомство с системой схемотехническоко моделирования Micro-Cap..................5
Лабораторная работа № 2. Исследование на ЭВМ характеристик источника постоянного напряжения............................. 16
Лабораторная работа № 3. Исследование на ЭВМ характеристик источников тока...............................................38
Лабораторная работа № 4. Распределение потенциала вдоль неразветвленной электрической цепи..................59
Лабораторная работа № 5. Исследование входных частотных характеристик в RC-непи...................................73
Лабораторная работа № 6. Исследование на ЭВМ цепей с обратной связью с системной точки зрения................90
Лабораторная работа № 7. Исследование S-параметров четырехполюсников ....................................... ЮЗ
Лабораторная работа № 8. Исследование сигнала с амплитудной модуляцией.................................... 118
Лабораторная работа № 9. Исследование сигнала с частотной модуляцией ..................................... 128
Лабораторная работа № 10. Исследование на ЭВМ RC-генератора . . 138
Лабораторная работа №11. Исследование на ЭВМ цифровых логических элементов........................... *54
Лабораторная работа № 12. Временная дискретизация аналоговых сигналов..................................... 176
Лабораторная работа № 13. Спектральный анализ сигналов с применением ДПФ ...................................... 194
Лабораторная работа № 14. Исследование КИХ-фильтров .........210
Лабораторная работа № 15. Исследование БИХ-фильтров..........221
606
Оглавление
Глава вторая. ОП ИС АИ И Е ЛАБО РАТОРН Ы X РАБОТ J
ПО ОС И РПрУ ....................................................233
РАЗДЕЛ I. Описание лабораторных работ по ОС .....................233
Лабораторная работа № I. Резисторный каскад предварительного Д усиления на биполярном транзисторе............................234
Лабораторная работа № 3. Исследование усилителя в
мощности на основе ОУ....................................-265
Лабораторная работа № 7. Исследование свойств эмиттерного м
повторителя ............................................. 312
Лабораторная работа № 8. Широкополосный усилитель с цепями коррекции.........................................../337
РАЗДЕЛ 2. Описание лабораторных работ по РПрУ ................. 376
Лабораторная работа № 5. Исследование дробного детектора......377
Лабораторная работа № 6. Исследование свойств гетеродина Л
на биполярном транзисторе ................................430
Лабораторная работа № 14. Исследование диодного 1
детектора................................................ ► 472
Лабораторная работа № 15. Исследование преобразователя Л
частоты на биполярном транзисторе.........................522
Лабораторная работа № 16. Исследование транзисторного Л
резонансного усилителя ...................................577
Серия -Библиотека студента
Фриск Валерий Владимирович Логвинов Василий Васильевич
Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства
Лабораторный практикум на персональном компьютере
Ответственный за выпуск
В. Митин
Макет и верстка
С. Тарасов
Обложка
Е. Холмский
ООО -СОЛОН-ПРЕСС»
123242, г. Москва, а/я 20
Телефоны:
(495) 254-44-10, (495) 252-36-96, (495) 252-25-21
E-mail: solon-avtor@coba.ru
По вопросам приобретения обращаться: ООО «Альянс-книга КТК* Тел: (495) 258-91-94, 258-91-95 www.abook.ru
ООО «СОЛОН-ПРЕСС»
103050, г. Москва, Дегтярный пер., д. 5. стр. 2 Формат 70x100/16. Объем 38 п. л. Тираж 1000 экз.
Отпечатано в ООО «Арт-диал»
143983, МО, г. Железнодорожный, ул. Керамическая, д. 3 Заказ № 214
Журнал выходит с 1998 года
В продаже электронная версия журналов «Ремонт & Сервис» на СО Подробности смотрите на сайте
Уважаемые читатели!
Вы можете оформить подписку на наш журнал в редакции с любого месяц8
ООО Издательство «Ремонт и Сервис 21 123001. г. Москва, а/я 82
Тел /Факс: (495) 252-73-26
254-44-10 .
www.remserv.ru ’
E-mail. rem.servScoba.ru
СТОИМОСТЬ подписки
НА 2008 ГОД - 960.РУБ,, НА ПОЛУГОДИЕ - ^80 РУБ.
Для этого Вам не&гад.-ио псроааотм (хвлзтельно.'СрезС6ерба>ж) на с-«т ое^вшии. сэтесно батяовсжим реквизитам. сут/му с обязательным указанием Saucer □ гсч’оаэ'о адреса (а том чгкле пэчтсеогс ♦‘кдексз] и олгечивгюм-их мо'лероб х*- *
Наше ба^чоосжии рмвмэяты 1 «•
ПОЛУЧАТЕЛЬ ОЭС Идропельсво сР£?ЛОНТ л 2ЕРВИ2 2* ». ИНН 771О2В72 15 КТ 771ЭС100*. .
РАСЧЕТНЫЙ СЧЕТ < 70281(>ХО00ГУХГО13« КБ <Г><Х0аэ ЮЗС: г ГАкиз КОРР. СЧЕТ 3010* 8103DXCOJX455 БИКЭ**^ ПОДПИСНЫЕ ИНДЕКСЫ повятало-уРзспс-а-и '9249 (»»в пол * 82455 -агодК ПОДПИСНОЙ ИНДЕКС ПС каталогу пр Рсссл* 33472
Настоящее
и будущее
электроники
компоненты и технологии
фототехника
ежемесячный журнал ндуч-ю-технически;’
бытовая и офисная техника будни сервиса
новости производителей
Рекомендации по ремонту техники
Высококачественные схемные материалы
автоэлектроника телефония г
теле-, аудио- и видеотехника силовая электроника
ЕМОНТ электронной техники ЕРВИС
Только в нашем журнале уникальная информация по темам