веверастія - ЛабРаб13-1

Лабораторна робота №1

ДОСЛІДЖЕННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК АНАЛОГОВИХ ЕЛЕКТРОННИХ СХЕМ

Метою роботи є експериментальне дослідження основних параметрів та характеристик аналогових електронних схем: вхідних та вихідних параметрів, коефіцієнтів передачі, частотних та перехідних характеристик.

Короткі теоретичні відомості

Приклади простих пасивних радіотехнічних ланцюгів та їх характеристик.Прості пасивні радіотехнічні ланцюги мають велике значення, оскільки застосовуються дуже часто, Тому слід докладно розглянути їх функції.

Резистивний дільник напруги.Схема резистивного дільника напруги наведена малюнку 12.

Рисунок 1.1 – резистивний дільник напруги

Резистивний дільник напруги служить для зміни рівня вхідної напругиU1відповідно до формулиU2=KU1,деK–коефіцієнт передачі дільника, величина якого визначається з виразу :

(1.2)

RC– фільтр нижніх частот.Фільтр нижніх частот (ФНЧ) є схемою, яка без змін передає сигнали нижніх частот, а на високих частотах забезпечить згасання сигналів та запізнення їх фазою щодо вхідних сигналів. На малюнку 1.2 зображено принципову схемуRC–фільтра нижніх частот.

Коефіцієнт передачі фільтра визначається формулою для амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) як модуль комплексного коефіцієнта передачі:

(1.3)

Малюнок 1.2 - Принципова схемаRC–фільтра нижніх частот

За допомогою формули для АЧХ визначають смугу пропускання фільтра – області частот, де АЧХ має значення не менше

свого максимального значення. Кордон смуги пропускання визначається частотою зрізу:

(1.4)

Фазочастотна характеристика (ФЧХ) фільтра визначає залежність від частоти фазового зсуву

, який отримує гармонійний вхідний сигнал при проходженні через ланцюг.

Вираз для ФЧХ визначається як арктангенс відношення уявної частини комплексного коефіцієнта передачі до дійсної його частини

(1.5)

На рисунках 1.3 та 1.4 представлені графіки АЧХ та ФЧХ для даного ФНЧ. Графіки нормовані щодо частоти зрізу. Осі частот градуйовано в логарифмічному масштабі. Коефіцієнт передачі ФНЧ (вісь ординат на АЧХ) вказано децибелах. Фазове зрушення на ФЧХ – у градусах.

Як випливає з малюнка 1.3, на частотах багато більших частот зрізу, коефіцієнт передачі обернено пропорційний частоті. При збільшенні частоти у 10 разів коефіцієнт передачі зменшується у 10 разів, тобто він зменшується на 20 дБ на декаду або на 6 дБ на октаву. Коефіцієнт передачі фільтра на частоті зрізу дорівнює -3 дБ.

Як випливає з малюнка 1.4, на частотах багато більших частот зрізу фазовий зсув даного фільтра прагне -90 про і не перевищує цю величину. Фазовий зсув на частоті зрізу дорівнює -45 про.

RC- фільтр верхніх частот.Фільтр верхніх частот (ФВЧ) - це схема, яка передає без змін сигнали високих частот, а на низьких частотах забезпечує загасання сигналів і випередження їх за фазою щодо вхідних сигналів. Схема простогоRC–фільтра верхніх частот наведена малюнку 1.5

Рисунок 1.3 – Амплітудно-частотна характеристика фільтра нижніх частот

Рисунок 1.4 – Фазочастотна характеристика фільтра нижніх частот

Малюнок 1.5 -Принципова схемаRC–фільтра верхніх частот

Амплітудно-частотна та фазочастотна характеристики описуються такими виразами:

(1.6)

(1.7)

Графіки АЧХ та ФЧХRC–фільтра верхніх частот наведені на рисунках 1.6 та 1.7.

Рисунок 1.6 – Амплітудно-частотна характеристика фільтра верхніх частот

Рисунок 1.7 – Фазочастотна характеристика фільтра верхніх частот

Вираз для частоти зрізу збігається з відповідним виразом для фільтра нижніх частот:

(1.8)

Фазове зрушення на цій частоті становить + 45°.

Як випливає з малюнка 1.6, на частотах набагато менших частоти зрізу, коефіцієнт передачі прямо пропорційний частоті. При збільшенні частоти у 10 разів коефіцієнт передачі збільшується у 10 разів, тобто він збільшується на 20 дБ на декаду або на 6 дБ на октаву. Коефіцієнт передачі фільтра на частоті зрізу дорівнює -3 дБ.

Як випливає з малюнка 1.7, на частотах набагато менших частоти зрізу фазовий зсув даного фільтра прагне +90 про і не перевищує цю величину. Фазовий зсув на частоті зрізу дорівнює +45 про.

Пасивний смуговийRC- фільтр.Шляхом послідовного з'єднання фільтрів верхніх і нижніх частот можна отримати смуговий фільтр. Його вихідна напруга дорівнює нулю на високих та низьких частотах. Одна з можливих схем представлена ​​малюнку 1.8.

Малюнок 1.8 - Принципова схема смуговогоRC–фільтра

Модуль коефіцієнта передачі та фазовий зсув смугового фільтра рівні:

(1.9)

де

.

Вихідна напруга максимальна, при

. Отже, резонансна частота дорівнюєВеличинаєнормовану частоту Фазовий зсув на резонансній частоті дорівнює нулю, а коефіцієнт посилення дорівнює 0,33. На малюнку 1.9 наведено графіки залежності коефіцієнта посилення та фазового зсуву від частоти.

Малюнок 1.9 – Графіки АЧХ та ФЧХ смугового фільтра

Приклад активного радіотехнічного ланцюга.На малюнку 1.10 наведено принципову схему підсилювача на біполярному транзисторі Q1, для роботи якого необхідне джерело живлення V2. Такі схеми називають активними. Для оцінки їхньої якості застосовують ті ж характеристики, що і для пасивних схем, але додають нові характеристики, що враховують властивості активних елементів – транзисторів.

Рисунок 1.10 – Принципова схема підсилювача резистивного на біполярному транзисторі

Однією з таких характеристик є рівень нелінійних спотворень сигналу, що оцінюють за допомогою коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік)КГ, який визначається як відношення кореня квадратного із суми квадратів амплітуд напруги або струму всіх вищих гармонік вихідного сигналу до амплітуди напруги або струму основної частоти:

(1.10)

UF– напруга першої гармоніки сигналу на виході підсилювача.

У схемі підсилювача можна бачити прості пасивні ланцюги, які беруть участь у формуванні характеристик підсилювача - фільтри верхніх частот із конденсаторами С1 та С2, фільтр нижніх частот із конденсатором С3 та резистивний дільник напруги на резисторах R1 та R2.

Дільник напруги на R1 та R2 ділить напругу джерела живлення V2 і задає необхідний рівень напруги на базі транзистора. Джерело сигналу V1 підключений до входу підсилювача – вузлу 1. Виходом підсилювача є вузол 6, до якого приєднано навантаження –резистор R5.

1.3 Завдання виконання роботи

1.3.1 За допомогою програми схемотехнічного моделювання скласти схему фільтра нижніх частот (рис. 1.11).

Рисунок 1.11 –RC-фільтр нижніх частот

1.3.2 У режимі аналізу частотних характеристик виконати моделювання схеми та отримати графіки АЧХ та ФЧХ. За графіками визначити частоту зрізу та порівняти її з розрахунковим значенням (формула 1.4). Визначити коефіцієнт передачі та фазовий зсув на частоті зрізу. Визначити нахил АЧХ та фазовий зсув за межами смуги пропускання фільтра.

1.3.3 У режимі аналізу перехідних процесів (у часовій області) визначити коефіцієнт передачі та фазовий зсув на частоті зрізу. Порівняти отримані значення з результатами п.1.3.2.

1.3.4 За допомогою програми схемотехнічного моделювання скласти схему фільтра верхніх частот із частотою зрізу 100 Гц. Місткість конденсатора вибрати рівною 1,6 мкФ.

1.3.5 Повторити пункти 1.3.2 та 1.3.3 для схеми фільтра верхніх частот.

1.3.6 На основі ФНЧ та ФВЧ складе схему смугового фільтра зі смугою пропускання від 10 Гц до 10 кГц та коефіцієнтом передачі в смузі пропускання рівним 0,5. Виконати моделювання схеми та отримати графіки АЧХ та ФЧХ.

1.3.7 Змінити схему фільтра за п.1.3.6 таким чином, щоб його коефіцієнт передачі у смузі пропускання став рівним одиниці. Виконати моделювання схеми та отримати графіки АЧХ та ФЧХ.

1.3.8. За допомогою програми схемотехнічного моделювання скласти схему резистивного підсилювача на біполярному транзисторі (рис. 1.10).

1.3.9 Отримати АЧХ і ФЧХ підсилювача, якими визначити частоти верхнього і нижнього зрізу, коефіцієнт посилення, нахил характеристик і фазовий зсув поза смуги пропускання.Визначити постійну напругу з урахуванням транзистора і порівняти його з розрахунковим.

1.3.10 У режимі аналізу перехідних процесів (у часовій області) оцінити візуально нелінійні спотворення форми вихідного сигналу на частоті 1 кГц при рівнях водного сигналу 1мВ, 10мВ, 20мВ та 40мВ. Використовуючи FFT- вікно аналізу перехідних процесів, отримати спектри вихідного сигналу і розрахувати за ними значення коефіцієнта нелінійних спотворень. Отримані дані звести до таблиці та побудувати графік залежності коефіцієнта нелінійних спотворень від рівня вхідного сигналу.

1.4 Контрольні питання

1.4.1 Намалюйте схему резистивного дільника напруги та запишіть формулу для розрахунку його коефіцієнта передачі. Наведіть чисельний приклад розподілу напруги. у задане число разів.

1.4.2 Намалюйте схемуRC-фільтра нижніх частот і запишіть формули АЧХ і ФЧХ. Поясніть призначення фільтра та його основні характеристики.

1.4.3 Намалюйте схемуRC-фільтра верхніх частот і запишіть формули АЧХ і ФЧХ. Поясніть призначення фільтра та його основні характеристики.

1.4.4 Намалюйте схемуRC-смугового фільтра. Поясніть призначення фільтра та його основні характеристики.

1.4.5 Намалюйте схемуRL-фільтра нижніх частот і запишіть формули АЧХ і ФЧХ.

1.4.6 Намалюйте схемуRL-фільтра верхніх частот і запишіть формули АЧХ і ФЧХ.

1.4.7 Намалюйте часові діаграми та запишіть формули (тригонометричні та полярні) двох гармонійних сигналів однакової амплітуди зрушених на 45 об один щодо іншого.

1.4.8 Дайте визначення нелінійних спотворень сигналу та поясніть причину їх виникнення. Запишіть формулу розрахунку коефіцієнта нелінійних спотворень.

1.4.9 Намалюйте гармонійнийсигнал з нелінійними спотвореннями і без них у часовій та частотній областях.

---