А. Н. Туполева кафедра радиоэлектроники и информационно-измерительной техники Радиотехнические цепи и сигналы В. А. Козлов, А. Г. Праведнов исседование lc-генератора методические указания

ИССЕДОВАНИЕ LC-ГЕНЕРАТОРА

Рецензент – Базлов Е.Ф.

Казань – 2014

Цель работы: изучение принципа работы LC- генератора гармонических колебаний и определение его характеристик для мягкого и жесткого режимов
Теория.

Автогенератором называют устройство, являющееся источником колебаний. Любой автогенератор представляет собой нелинейный усилитель с обратной связью, преобразующий энергию источника питания в энергию колебаний определенной формы.

Независимо от вида и назначения LC-автогенератор должен содержать активный нелинейный элемент, линейную частотно-избирательную цепь (вместе они образуют нелинейный избирательный усилитель); а также цепь обратной связи и источник питания. На рис.1 приведена структурная схема автогенератора, а на рис.2 - упрощенная принципиальная схема транзисторного LC - автогенератора с контуром в цепи стока полевого транзистора.

В этой схеме (рис.2) роль активного нелинейного элемента играет транзистор VT, роль избирательного четырехполюсника - колебательный контур L_K и С_K , а роль цепи обратной связи - катушка L_З., связанная с L_K через общее магнитное поле (М).

Задачей нелинейного активного элемента является усиление поступающих на него колебаний до уровня, обеспечивающего самовозбуждение схемы, и перевод (автоматический) генератора из режима самовозбуждения в стационарный режим.

Задачей линейной частотно-избирательной цепи является обеспечение плавной зависимости от частоты угла фазового сдвига между поступающим на эту цепь током нелинейного активного элемента и выделяющимся на ней напряжением.

Задачей цепи обратной связи является подача части энергии колебаний с выхода избирательного усилителя на его вход для самовозбуждения схемы и ее работы в стационарном режиме.

С
уществует два режима работы автогенератора:

- режим самовозбуждения, который возникает после включения автогенератора и характерен малой амплитудой вырабатываемых колебаний и тем, что она во времени растет;

- стационарный режим, который возникает спустя некоторое время после запуска автогенератора и характерен большой и постоянной во времени амплитудой генерируемых колебаний.

Условие стационарности режима автогенератора аналитически может быть записано в виде.

(1)

, (2)

где

-коэффициент передачи нелинейного избирательного усилителя

- коэффициент передачи цепи обратной связи,

ω_г- частоте генерации,

- комплексная амплитуда первой гармоники напряжения на стоке транзистора,

- комплексная амплитуда первой гармоники напряжения на затворе транзистора,

Физический смысл соотношения (2) состоит в том, что обратная связь на частоте генерации должна быть положительной. Для генерации гармонических колебаний условие (2) должно выполняться только на одной частоте ω_г. Поэтому при исследовании генераторов гармонических колебаний частоту генерации определяют обычно решением уравнения (2).

Физический смысл соотношения (1) состоит в равенстве энергии колебаний, вырабатываемых усилителем, и энергии потерь, рассеиваемой в пассивной части схемы. Из решения (1) принципиально можно найти зависимость стационарной амплитуды колебаний от величины обратной связи. Однако обычно вместо аналитического решения избирают менее точный, но более удобный графический метод колебательных характеристик. Рассмотрим его сущность.

Колебательной характеристикой называют зависимость амплитуды первой гармоники тока нелинейного элемента I_K1 от амплитуды входного гармонического напряжения U₃₁, снимаемого при разорванной цепи обратной связи. Вместо зависимости I_K1 = f(U₃₁) можно исследовать имеющую ту же форму, но отличающуюся масштабом, зависимость U_K1 = f(U₃₁), где U_K1 - амплитуда первой гармоники напряжения на стоке транзистора. Зависимости I_K1 = f(U₃₁), U_K1 = f(U₃₁) нелинейны, а их вид зависит от положения рабочей точки активного нелинейного элемента. Если рабочая точка изначально смещением задана на линейном участке вольтамперной кривой (точка B на рис.3), то колебательная характеристика имеет вид, изображенный на рис.4. Режим работы автогенератора при такой колебательной характеристике называют мягким. Если же рабочая точка расположена на нижнем изгибе вольтамперной кривой с малой крутизной и при очень малом токе стока (точка A на рис.3), то колебательная характеристика имеет вид, изображенный на рис.5. Режим работы автогенератора при такой колебательной характеристике называют жестким.

Характеристикой обратной связи называют зависимость амплитуды напряжения обратной связи U₃₁ от амплитуды первой гармоники тока нелинейного элемента I_K1 или амплитуды первой гармоники напряжения на стоке U_K1. В данной лабораторной работе колебательная характеристика снимается и строится в координатах U_K1 = f₁(U_З1), так как экспериментально получить такую зависимость проще и удобнее. Соответственно, характеристика обратной связи понимается как зависимость U_З1 = ₁(U_К1). Поскольку U_З1 = β(ω)U_К1, графиком характеристики обратной связи является прямая, проходящая через начало координат, под углом к оси абсцисс.

Стационарная амплитуда колебаний на входе усилителя U_З10 определяется путем проектирования точки пересечения колебательной характеристики и прямой обратной связи на ось U_З (рис.4). Причем в жестком режиме точкой стационарного режима является точка А, в которой крутизна характеристики обратной связи больше, чем крутизна колебательной характеристики. Аналогично можно найти стационарную амплитуду колебаний напряжения на стоке транзистора U_К10, только точку стационарного режима нужно проектировать на ось ординат.

Для определения зависимости стационарной амплитуды колебаний на выходе генератора U_K10 от коэффициента обратной связи β на график колебательной характеристики U_K1 = f(U₃₁) нужно нанести семействo прямых обратной связи U_З1 = ₁(U_K1) = βU_K1 для различных величин  (рис.6), спроектировать каждую точку стационарного режима на ось ординат, после чего по полученным данным построить график U_K1 =  (). Вид этой кривой, приведенный на рис.7, характерен для мягкого режима работы генератора. Колебания возникают при некоторой величине обратной связи _кр., для которой прямая обратной связи является касательной к начальному участку колебательной характеристики. По мере роста , амплитуда U_K10 меняется монотонно, причем зависимость U_K1 =  () однозначна.

При жестком режиме работы генератора правило построения графика

U
_K1 =  () то же, но вид его иной (рис.8): колебания в генераторе возникают при довольно большой связи _КР1., для которой прямая обратной связи является касательной к начальному участку колебательной характеристики, причем амплитуда колебания U_K11. сразу (скачком) устанавливается достаточно большой; при уменьшении связи от _КР1 колебания не срываются вплоть до связи _КР2,, для которой прямая обратной связи является касательной к выпуклому участку колебательной характеристики; при <_КР2 амплитуда колебаний скачком уменьшается от U_K12 до 0.
Описание макета лабораторной работы.

Макет лабораторной работы питается от лабораторной сети постоянного напряжения 12 В.

На лицевой панели макета приведена упрощенная схема исследуемого устройства. Там же расположены измерительный прибор, регулировочные органы и контактные гнезда для подключения внешних устройств.

Стрелочный измеритель тока "mA" предназначен для измерения тока стока полевого транзистора и имеет предел измерения 5 mA.

Тумблер S1-"Избир. Ус-Генератор" позволяет перевести схему в один из двух режимов: избирательного усилителя или автогенератора.

Регулировочная ручка "Регулировка ОС" позволяет плавно изменять величину обратной связи в режиме автогенератора. Ручка имеет 11 оцифрованных положений (от 0 до 10). Положению 1 отвечает нулевой коэффициент обратной связи, положению 9 – максимальный коэффициент обратной связи. Точное значение коэффициента обратной связи, соответствующее отдельным оцифрованным значениям, можно определить, если в режиме избирательного усилений сравнить амплитудные или действующие значения напряжений Uзи≈ и Uвых.

Регулировочная ручка "Регулировка Uзи=" позволяет плавно изменять напряжение смещения Uзи= полевого транзистора, что необходимо для снятия его стоко-затворной характеристики.

На контактные гнезда "Uвнешн. ген." в режиме избирательного усиления для снятия колебательных характеристик подается гармоническое напряжение с генератора GRG-450.

К нижеперечисленным контактным гнездам подключаются следующие приборы:

- "Uвых" – один из входов осциллографа GOS-630FS для контроля формы выходного напряжения в режимах избирательного усиления и автогенератора и измерения амплитуды напряжения,

- "Uзи≈"- другой вход осциллографа GOS-630FS для контроля амплитуды колебаний, подаваемых на вход избирательного усилителя,

- "Uзи=" – вольтметр В7-58/2 в режиме измерения постоянного напряжения или осциллограф с открытым входом..

1.Снять стоко-затворную характеристику Ic=f(Uзи=) полевого транзистора.

Переключатель S1 поставить в положение "Избир. Ус.". Напряжение внешнего генератора на соответствующий вход макета не подавать. Подключить вольтметр постоянного напряжения В7-58/2 с пределом измерения 20В или осциллограф с открытым входом к гнездам "Uзи=". Вращая ручку "Регулировка Uзи=" из крайнего левого положения в крайнее правое фиксировать и записать в таблицу значения напряжения Uзи=, соответствующие значениям тока стока полевого транзистора 0 мА, 0.2 мА, 0.5 мА, 1 мА и т. д. до максимального значения тока.

Построить график стоко-затворной характеристики и выбрать по нему напряжения смещения для мягкого и жесткого режимов работы генератора. Напряжение смещения для жесткого режима работы должно быть таким, чтобы стрелка миллиамперметра немного отклонилась от нулевой отметки (см. рис. 3).

2. Снять колебательные характеристики Uвых=f(Uзи≈) для мягкого и жесткого режимов работы схемы.

2.1.Переключатель S1 оставить в прежнем положении. К гнездам "Uвнешн. ген." Подключить генератор GRG-450 или Г6-27. Установить на выходе генератора гармоническую форму колебаний с амплитудой 0.2В. Форму напряжения, его частоту и амплитуду контролировать с помощью осциллографа GOS-630FS, первый вход которого подключить к гнездам "Uзи≈". Второй вход осциллографа подключить к гнездам "Uвых". Меняя частоту колебаний генератора в диапазоне 100-200 кГц, определить резонансную частоту колебательного контура L_kC_k по максимуму амплитуды выходных колебаний. В дальнейшем при снятии колебательных характеристик подавать на схему колебания именно этой частоты.

2.2.Отключив на время внешний генератор от макета, установить смещение Uзи=, соответствующее мягкому режиму работы схемы. Далее вновь подключить внешний генератор к макету и меняя амплитуду его выходного напряжения от 0.05В, фиксировать и заносить в таблицу значения амплитуды входного напряжения Uвх и выходного Uвых до прекращения роста Uвых. Для измерения амплитуд входного и выходного напряжения избирательного усилителя использовать соответственно входы 1 и 2 осциллографа.

2.3.Повторить действия пункта 2.2. для жесткого режима работы.

2.4. Построить графики колебательных характеристик в одной системе координат.

3. Снять характеристику обратной связи β=f(N).

Установить с помощью внешнего генератора амплитуду выходного напряжения избирательного усилителя равной 1В. Контролируется напряжение вторым каналом осциллографа. Вращая ручку "Регулировка ОС" из крайнего левого положения вправо, замерить с помощью первого канала осциллографа амплитуды напряжения Uзи≈, соответствующие оцифрованным положениям ручки. Рассчитать значения коэффициента обратной связи β=Uзи≈/Uвых для этих положений. Построить график β=f(N), где N – число (от 1 до 9), характеризующее соответствующее положение ручки.

3. Снять зависимости стационарной амплитуды колебаний генератора от величины обратной связи Uвых=f(β) для мягкого и жесткого режима работы.

3.1. Отключить внешний генератор от соответствующих контактных гнезд макета. Ручку регулировки обратной связи поставить в крайнее левое положение.

3.2. Ручкой регулировки "Регулировка Uзи=" установить напряжение смещения, соответствующее мягкому режиму работы генератора. Контролируется напряжение Uзи= на соответствующих гнездах макета вольтметром постоянного напряжения или осциллографом с открытым входом. Переключатель S1 перевести в положение "Ген." Медленно вращая ручку "Регулировка ОС" вправо, зафиксировать положение ручки, при котором возникнут колебания в генераторе. Далее, продолжая вращать ручку вправо, записать амплитуду выходных колебаний автогенератора для оцифрованных положений ручки "Регулировка ОС".

Снять зависимость Uвых=f(β) уменьшая обратную связь от максимальной до минимальной.

3.3. Ручку регулировки обратной связи поставить в крайнее левое положение. Повторить действия пункта 3.2. для жесткого режима работы.

1. 
   Таблицы и графики по результатам экспериментальных исследований.
   
2. 
   Выводы по всем пунктам лабораторных заданий.
   

Контрольные вопросы.

1. 
   Для чего нужен транзистор в схеме автогенератора?
   
2. 
   Для чего нужен колебательный контур в схеме автогенератора?
   
3. 
   Для чего нужен трансформатор в схеме автогенератора?
   
4. 
   Сформулировать условие стационарности колебаний.
   
5. 
   Запасать условия баланса фаз и баланса амплитуд и пояснять их физический смысл.
   
6. 
   Записать условие самовозбуждения автогенератора.
   
7. 
   Что такое колебательная характеристика?
   
8. 
   Охарактеризовать мягкий режим работы автогенератора.
   
9. 
   Охарактеризовать жесткий режим работы автогенератора.
   
10. 
    Показать причины, приводящиеся к возникновению гистерезиса в кривой зависимости U_K10 = f (U₃₁) при жестком режима работы.