veverastia - LabRab13-1
Лаборатория #1
ИЗСЛЕДВАНЕ НА ОСНОВНИ ПАРАМЕТРИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ НА АНАЛОГОВА ЕЛЕКТРОННА ВЕРИГА
Целта на работата е експериментално изследване на основните параметри и характеристики на аналоговите електронни схеми: входни и изходни параметри, коефициенти на предаване, честотни и преходни характеристики.
Кратка теоретична информация
Примери за прости пасивни радио вериги и техните характеристики.Простите пасивни радио вериги са от голямо значение, тъй като се използват много често, следователно техните функции трябва да бъдат разгледани подробно.
Резистивен делител на напрежение.Диаграмата на резистивния делител на напрежение е показана на фигура 12.
Фигура 1.1 - Резистивен делител на напрежение
Резистивният делител на напрежение служи за промяна на нивото на входното напрежениеU1по формулатаU2=KU1,къдетоK–е коефициентът на предаване на делителя, чиято стойност се определя от израза:
RCе нискочестотен филтър.Нискочестотен филтър (LPF) е верига, която предава нискочестотни сигнали непроменени, но при високи честоти, отслабва сигналите и ги изостава във фаза спрямо входните сигнали. Фигура 1.2 показва електрическата схема наRC-нискочестотен филтър.
Усилването на филтъра се определя от формулата за амплитудно-честотната характеристика (AFC) като модул на комплексното усилване:
Фигура 1.2 - Схематична диаграма наRC–нискочестотен филтър
С помощта на формулата за честотната характеристика се определя честотната лента на филтъра - честотният диапазон, където честотната характеристика има стойност най-малко
Фазовата характеристика (PFC) на филтъра определя честотната зависимост на
Изразът за PFC се определя като аркутангенс на съотношението на въображаемата част от комплексното усилване към реалната му част
(1,5)
Фигури 1.3 и 1.4 показват графиките на честотната характеристика и фазовата характеристика за този LPF. Графиките са нормализирани по отношение на граничната честота. Честотните оси са градуирани по логаритмична скала. Коефициентът на предаване на нискочестотния филтър (оста y на честотната характеристика) е посочен в децибели. Фазово отместване на PFC - в градуси.
Както е показано на фигура 1.3, при честоти, много по-високи от граничната честота, усилването е обратно пропорционално на честотата. Когато честотата се увеличи с коефициент 10, усилването намалява с коефициент 10, т.е. намалява с 20 dB на декада или 6 dB на октава. Усилването на филтъра при граничната честота е -3 dB.
Както следва от фигура 1.4, при честоти, много по-високи от граничната честота, фазовото изместване на този филтър клони към -90 ° и не надвишава тази стойност. Фазовото изместване при граничната честота е -45°.
RCе високочестотен филтър.Високочестотният филтър (HPF) е верига, която предава високочестотни сигнали непроменени, а при ниски честоти осигурява затихване на сигналите и тяхното фазово изпреварване спрямо входните сигнали. Диаграма на простRC–високочестотен филтър е показана на Фигура 1.5
Фигура 1.3 - Честотна характеристика на нискочестотния филтър
Фигура 1.4 - Фазова характеристика на нискочестотния филтър
Фигура 1.5 -Принципна диаграма наRC–високочестотен филтър
Амплитудно-честотните и фазово-честотните характеристики се описват със следните изрази:
(1,7)
Графиките на честотната характеристика и фазовата характеристикаRC–на високочестотния филтър са показани на фигури 1.6 и 1.7.
Фигура 1.6 - Честотна характеристика на високочестотния филтър
Фигура 1.7 - Фазова характеристика на високочестотния филтър
Изразът за граничната честота е същият като съответния израз за нискочестотния филтър:
Фазовото изместване при тази честота е +45°.
Както следва от фигура 1.6, при честоти, много по-ниски от граничната честота, усилването е право пропорционално на честотата. Когато честотата се увеличи с коефициент 10, усилването се увеличава с коефициент 10, т.е. увеличава се с 20 dB на десетилетие или 6 dB на октава. Усилването на филтъра при граничната честота е -3 dB.
Както следва от фигура 1.7, при честоти, много по-ниски от граничната честота, фазовото изместване на този филтър има тенденция към +90 ° и не надвишава тази стойност. Фазовото изместване при граничната честота е +45°.
Пасивен лентов филтърRC- филтър.Чрез свързване на високочестотни и нискочестотни филтри последователно, можете да получите лентов филтър. Изходното му напрежение е нула при високи и ниски честоти. Една от възможните схеми е показана на фигура 1.8.
Фигура 1.8 - Схематична диаграма на лентов филтърRC–
Модулът на усилване и фазовото отместване на лентовия филтър са:
където
Изходното напрежение е максимално при
Фигура 1.9 - Графики на честотната характеристика и фазовата характеристика на лентовия филтър
Пример за активна радио верига.Фигура 1.10 показва електрическа схема на усилвател, базиран на биполярен транзистор Q1, който изисква захранване V2, за да работи. Такива схеми се наричат активни. За оценка на тяхното качество се използват същите характеристики като за пасивните вериги, но се добавят нови характеристики, които отчитат свойствата на активните елементи - транзистори.
Фигура 1.10 - Схематична диаграма на резистивен усилвател на биполярен транзистор
Една от тези характеристики е нивото на нелинейно изкривяване на сигнала, което се оценява с помощта на коефициента на нелинейно изкривяване (коефициент на хармоника)KГ, който се определя като съотношението на корен квадратен от сумата от квадратите на амплитудите на напрежението или тока на всички висши хармоници на изходния сигнал към амплитудата на напрежението или тока на основната честота:
(1.10)
UF– напрежение на първия хармоник на сигнала на изхода на усилвателя.
Във веригата на усилвателя можете да видите прости пасивни вериги, които участват в оформянето на характеристиките на усилвателя - високочестотни филтри с кондензатори C1 и C2, нискочестотен филтър с кондензатор C3 и резистивен делител на напрежение през резистори R1 и R2.
Делителят на напрежението на R1 и R2 разделя напрежението на захранването V2 и задава необходимото ниво на напрежение в основата на транзистора. Източникът на сигнал V1 е свързан към входа на усилвателя - възел 1. Изходът на усилвателя е възел 6, към който е свързан товарът -резистор R5.
1.3 Назначаване на работа
1.3.1 Използвайки програмата за симулация на верига, начертайте верига на нискочестотен филтър (фиг. 1.11).
Фигура 1.11 -RC-нискочестотен филтър
1.3.2 В режим на анализ на честотната характеристика извършете симулация на верига и получете графики на честотната характеристика и фазовата характеристика. Определете граничната честота от графиките и я сравнете с изчислената стойност (формула 1.4). Определете усилването и фазовото отместване при граничната честота. Определете наклона на честотната характеристика и фазовото изместване извън лентата на пропускане на филтъра.
1.3.3 В режим на анализ на преходни процеси (във времевата област) определете коефициента на усилване и фазовото изместване при граничната честота. Сравнете получените стойности с резултатите по т. 1.3.2.
1.3.4 Използвайки програма за симулация на верига, изградете високочестотна филтърна верига с гранична честота 100 Hz. Изберете капацитет на кондензатора, равен на 1,6 uF.
1.3.5 Повторете стъпки 1.3.2 и 1.3.3 за веригата на високочестотния филтър.
1.3.6 На базата на LPF и HPF направете схема на лентов филтър с честотна лента от 10 Hz до 10 kHz и печалба в честотната лента, равна на 0,5. Стартирайте симулация на верига и получете графики за честотна характеристика и фазова характеристика.
1.3.7 Променете схемата на филтъра съгласно точка 1.3.6, така че нейното усилване в лентата на пропускане да стане равно на единица. Стартирайте симулация на верига и получете графики за честотна характеристика и фазова характеристика.
1.3.8 Използвайки програмата за симулация на верига, начертайте верига на резистивен усилвател на базата на биполярен транзистор (фиг. 1.10).
1.3.9 Получете честотната характеристика и фазовата характеристика на усилвателя, чрез които да определите честотите на горната и долната граница, усилването, наклона на характеристиките и фазовото изместване извън лентата на пропускане.Определете постоянното напрежение в основата на транзистора и го сравнете с изчисленото.
1.3.10 В режим на преходен анализ (във времевата област) оценете визуално нелинейното изкривяване на формата на изходния сигнал при честота 1 kHz при нива на водния сигнал от 1mV, 10mV, 20mV и 40mV. Използвайки прозореца FFT за преходен анализ, получете спектрите на изходния сигнал и изчислете стойностите на коефициента на нелинейно изкривяване от тях. Получените данни се обобщават в таблица и се изобразяват като графика на зависимостта на коефициента на нелинейно изкривяване от нивото на входния сигнал.
1.4 Въпроси за сигурност
1.4.1 Начертайте диаграма на резистивен делител на напрежение и запишете формулата за изчисляване на неговия коефициент на пренос. Дайте числен пример за разделяне на напрежението. в даден брой пъти.
1.4.2 Начертайте веригаRC-нискочестотен филтър и запишете формулите за честотната характеристика и фазовата характеристика. Обяснете предназначението на филтъра и основните му характеристики.
1.4.3 Начертайте веригаRC-високочестотен филтър и запишете формулите за честотната характеристика и фазовата характеристика. Обяснете предназначението на филтъра и основните му характеристики.
1.4.4 Начертайте веригаRC-лентов филтър. Обяснете предназначението на филтъра и основните му характеристики.
1.4.5 Начертайте веригаRL-нискочестотен филтър и запишете формулите за честотната характеристика и фазовата характеристика.
1.4.6 Начертайте веригаRL-високочестотен филтър и запишете формулите за честотната характеристика и фазовата характеристика.
1.4.7 Начертайте времеви диаграми и запишете формулите (тригонометрична и полярна) на два хармонични сигнала с еднаква амплитуда, изместени на 45o един спрямо друг.
1.4.8 Дефинирайте нелинейните изкривявания на сигнала и обяснете причината за възникването им. Запишете формулата за изчисляване на THD.
1.4.9 Начертайте хармоникасигнал със и без нелинейни изкривявания във времевата и честотната област.