Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Радіотехніка
Кафедра:
Кафедра теоретичної радіотехніки і радіовимірювань
Інформація про роботу
Рік:
2007
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Сигнали та процеси в радіоелектроніці
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАїНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра теоретичної радіотехніки і радіовимірювань
АВТОГЕНЕРАТОР ГАРМОНІЧНИХ КОЛИВАНЬ
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 15
з дисципліни “Сигнали та процеси в радіоелектроніці”
для студентів базового напряму “Радіотехніка”
ЛІВІВ 2007
Автогенератор гармонічних коливань. Методичні вказівки до лабораторної роботи № 15 з дисципліни “Сигнали та процеси в радіоелектроніці” для студентів базового напряму “Радіотехніка”/ Укладачі: Желяк Р.І., Мелень М.В., Бондарєв А.П.. -Львів: НУ ЛП, 2007. - 16 с.
Укладачі: Желяк Р.І., доц., канд. техн. наук;
Мелень М.В., доц., канд. техн. наук;
Бондарєв А.П., доц., канд. техн. наук.
Рецензенти: Волочій Б.Ю., доц., канд. техн. наук;
Надобко О.В., доц., канд. техн. наук.
Відповідальний за випуск: Колодій З.О., доц., канд. техн. наук.
© Желяк Р.І., Мелень М.В., Бондарєв А.П., 2007
1. МЕТА РОБОТИ
Метою роботи є дослідження умов самозбудження та режимів роботи автогенератора гармонічних коливань.
2. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ
Автогенераторами гармонічних коливань називають пристрої, в яких можуть виникати та як завгодно довго існувати коливання з близькою до гармонічної формою. Існування незатухаючих гармонічних коливань в автогенераторі забезпечується шляхом перетворення енергії джерел живлення (звичайно постійного струму) в енергію гармонічних коливань за допомогою активних компонентів.
Механізм створення коливань в автогенераторах можна пояснити на підставі розгляду процесів, які утворюються в коливальних системах при ненульових початкових умовах. Так, наприклад, у послідовному коливальному колі, добротність якого , при наявності початкового заряду в конденсаторі і (або) магнітного потоку в котушці індуктивності виникають вільні коливання виду:
,
де - початкове значення струму (напруги) в колі;
- коефіцієнт затухання, який залежить від наявності втратних елементів в колі;
- частота вільних коливань;
- резонансна частота кола, яка в основному визначається значеннями реактивних компонентів кола.
В залежності від значення коефіцієнта затухання в коливальному контурі можливі три типи вільних коливань (рис. 1).
а) б) в)
Рис.1. Залежність форми вільних коливань у коливальному колі від величини коефіцієнта затухання .
При наявності втратних елементів в колі (резисторів) коефіцієнт затухання . Тому на кожному періоді коливань частина енергії буде необоротно перетворюватись в резисторах у теплову енергію і амплітуда коливань поступово буде загасати (рис.1а).
У безвтратному коливальному колі () коливання мають незагасаючий характер і їх амплітуда є постійною (рис.1б).
Відзначимо, що навіть у втратному коливальному колі, якщо періодично поповнювати коло енергією, наприклад шляхом внесення в коливальне коло резисторів з від’ємним опором, можна проводити часткову, повну або надлишкову компенсацію втрат енергії, і тим самим змінювати значення коефіцієнта затухання кола . Рисунок 1б ілюструє коливальний процес у колі при повній компенсації втрат, а рис.1в – при надлишковій компенсації втрат.
Процес встановлення коливань в автогенераторі можна розділити на 3 етапи:
а) початок генерування (самозбудження);
б) зростання коливань (перехідний режим);
в) генерування незатухаючих коливань (стаціонарний або встановлений режим).
Для реалізації першого етапу (етапу виникнення коливань) потрібно в коливальному колі проводити надлишкову компенсацію втрат. При тому, чим більшою буде компенсація втрат, тим швидше буде зростати амплітуда коливань.
Надалі для переходу генератора в усталений режим, потрібно при встановлені в генераторі заданого значення амплітуди коливань забезпечити зменшення надлишкової компенсації втрат до повної. Із сказаного випливає, що в склад автогенератора повинна входити коливальна система, підсилювач коливань та коло додатного зворотного зв’язку. При тому звичайно коливальна система разом з колом зворотного зв’язку забезпечує утворення вільних коливань на заданній частоті, а підсилювач коливань забезпечувє збудження автогенератора і припинення росту коливань на заданому рівні. Отже в склад автогенератора мають входити нелінійні компоненти.
Автогенератори бувають автономні та неавтономні. Автономні автогенератори забезпечують генерування незатухаючих коливань заданої амплітуди та частоти шляхом перетворення енергії джерел живлення. В неавтономних генераторах з метою забезпечення частотної модуляції, синхронізації коливань, підсилення потужності коливань тощо додатково на вхід генератора подають відповідну зовнішню дію.
В залежності від виду використаного зворотного зв’язку розрізняють автогенератори з внутрішнім та зовнішним зворотним зв’язком, трансформаторним та автотрансформаторним зв’язком, триточкові схеми автогенераторів тощо.
В залежності від виду компонентів, які входять в склад коливальної системи розрізняють LC-автогенератори, RC-автогенератори, автогенератори з кварцевою стабілізацією тощо.
Аналіз процесів, які виникають в автогенераторах, можна провести на підставі рзв’язку звичайного нелінійного диференціального рівняння високого порядку, або системи нелінійних диференціальних рівнянь першого порядку, які є його математичною моделлю. Проте такий аналіз є надзвичайно трудомісткий і часто не допускає аналітичного розв’язку. Тому в інженерній практиці для визначення умов збудження автогенератора та визначення параметрів усталених коливань автогенератора часто використовують наближений метод – “квазилінійний метод”, який забезпечує достатню для практичного використання точність. Підставою для використання цього метода є той факт, що при використанні в автогенераторі високодобротних коливальних систем напруги на виводах практично усіх компонентах автогенератора мають гармонічну форму. Проте співвідношення між амплітудами струмів та напруг на виводах нелінійних компонентах має нелінійний характер. Отже схему автогенератора можна розглядати “якби лінійною” і її аналіз проводити лише на основній (першій ) гармоніці, а впливом інших гармонік можна нехтувати. Крім того на етапі виникнення коливань, коли амплітуда коливань є незначною, усі нелінійні компоненти схеми можна замінити лінеаризованими в робочій точці компонентами.
Часто автономні автогенератори можна представити у вигляді узагальненої структурно-функціональної схеми, яка показана на рис.2.
Як відомо з теорії лінійних кіл із зовнішним зворотним зв’язком у колі виду рис.2 за умови втрачається стійкість і виникають власні незагасаючі коливання. Тому з умови випливають дві умови збудження автогенератора:
умова балансу амплітуд , (1)
умова балансу фаз
, (2)
де - комплексний коефіцієнт передачі підсилювача (К-ланки);
- комплексний коефіцієнт передачі чотириполюсника зворотного зв’язку (-ланки)
Рівняння (1) та (2) представляють собою рівняння рівноваги (деколи їх нази-вають рівняннями стаціонарності). На їх підставі можна визначити частоту та амплітуду коливань. Так, частота власних коливань автогенератора визначається з рівняння (2) як частота, на якій сумарний фазовий зсув між напругою на вході К-ланки та на виході -ланки рівний нулеві.
З іншого боку, оскільки коефіцієнт передачі К-ланки і (або) -ланки залежить від амплітуди коливань, то на частоті генерації рівність
, (3)
виконується лише при певному значенні амплітуди .
Рис.3. Визначення усталеної амплітуди коливань автогенератора графічним способом: при м’якому – а), та при жорсткому – б) режимах збудження.
Це ілюструє рис.3, на якому приведені графіки залежностей та лінії зворотного зв’язку для двох випадків: коли робоча точка вибрана на лінійній ділянці передавальної характеристики нелінійного елемента (рис.3а), та коли робоча точка вибрана на нелінійній ділянці передавальної характеристики нелінійного елемента (рис.3б). У випадку, що розглядається вважаємо .
З рисунку рис.3,а видно, що амплітуда коливань автогенератора в стаціонарному режимі при м’якому режимі збудження визначається точкою перетину нелінійної залежності з горизонтальною прямою .
В той-же час з рисунку рис.3,б видно, що при жорсткому режимі збудження баланс амплітуд може виконуватись при двох різних значеннях амплітуди коливань - і . Проте в реальному автогенераторі може існувати лише коливання з однією амплітудою. Тому лише один з розв’язків є стійким. Аналіз показує, що в, в точці стійкої рівноваги повинна виконуватись умова . Таким чином амплітуда є нестійкою, а - стійкою. На рис.3. точками стійкої рівноваги є ті, до яких спрямовані стрілки, що відображають напрям зміни амплітуди коливань при наявності можливих флуктуацій значень напруги у цих точках.
Принциповою відмінністю залежностей , які показані на рис.3,а та рис.3,б є те, що зміна величини коефіцієнта зворотного зв’язку по різному впливає на зміну амплітуди усталених коливань автогенератора. Так з рис. 4 бачимо, що у випадку залежності , показаної на рис. 3,а спостерігається однозначний зв’язок між а, величиною коефіцієнта зворотного зв’язку і амплітудою усталених коливань . Крім того тут збудження і зрив коливань в автогенераторі наступає при однаковій величині коефіцієнта зворотного зв’язку . Отже збудження генератора буде завжди м’яким (без зовнішніх поштовхів).
Рис.4.
При використанні залежності , показаної на рис. 4,в,г, збудження може бути як м’яким так і жорстким. Так, при (рис. 5) збудження буде жорстким (потрібний зовнішній поштовх, не менший ніж ), а при збудження буде м’яким. Крім того у цьому режимі збудження і зрив коливань в автогенераторі наступає при різних значеннях коефіцієнта зворотного зв’язку – збудження наступає при значенні коефіцієнта зворотного зв’язку , а зрив коливань – при .
На рис.5. Показані варіанти схем автономних автогенераторів.
На рис.5,а, б, в, показані варіанти схем LC-автогенераторів на транзисторі з ізольованим затвором з трансформаторним (рис.5.а) та автотрансформаторним (рис.5,б) зв’язком і ємнісна триточкова схема автогенератора (рис.5,в).
На рис.5, г показано варіант ємнісної триточкової схеми LC-автогенератора на транзисторі з ізольованим затвором з кварцевою стабілізацією частоти.
На рис.5, д показано варіант схеми RC-автогенератора, а на рис.5, - LC-автогенератора з внутрішнім зворотним зв’язком на тунельному діоді.
Штриховою лінією відмічені компоненти схеми автогенератора, які утворюють підсилювальну (К-ланку) або кола зворотного зв’язку. При цьому у схемі рис.5а коливальна система включена в підсилювальну ланку (резонансний підсилювач), а у схемах рис.5,б,в,г,д коливальна система включена включена у коло зворотного зв’язку.
Рис.5. Варіанти схем автономних автогенераторів гармонічних коливань
Коротко зупинемось на розгляді процесів, які можна здійснити в неавтономних автогенераторах. Насамперед розглянемо важливий для практичного застосування процес синхронізації.
Рис. 6. Узагальнена структурно-функціональна схема неавтономного автогенератора з зовнішним зворотним зв’язком.
Для здійснення згаданого процесу на вхід автогенератора ззовні подають сигнал гармонічної форми, частота якого є близькою до частоти власних коливань автогенератора. Оскільки при цьому частота вимушених коливань автогенератора повинна збігатись з частотою зовнішного сигналу , то коливальна система автогенератора буде працювати на частоті, що не дорівнює резонансній частоті. Тому сигнал на виході кола зворотного зв’язку буде зсунутий відносно сигналу на вході підсилювача на кут (рис.6,б). Цей кут можна визначити з рівняння, яке описує частотну характеристику петлі зворотного зв’язку через узагальнену розстройку:
,
де - розстройка частоти;
Q – добротність коливальної системи.
Оскільки сигнал на вході підсилювача дорівнює сумі сигналу зворотного зв’язку та зовнішного синалу , то можна записати рівняння:
.
Зауважимо, що граничне значення частоти, при якому буде виконуватись умова буде відповідати значенню . Тому отримуємо, що максимальне значення розстройки частоти зовнішного сигналу відносно власної частоти генератора буде описуватись рівнянням:
.
Рис.7.
На рис. 7 показана залежність, з якої бачимо, що в смузі частот частота зовнішньої дії і частота гененратора збігаються, а отже спостерігаємо явище синзронізації. Приклад реалізації такого автогенератора ілюструє схема, яка показана на рис. 8,а.
Часто неавтономні автогенератори використовують для здійснення кутової модуляції. У цьому випадку пропорційно зовнішному модулюючому сигналу повинена змінюватись частота (ЧМ-модулятор) або фаза (ФМ-модулятор) сигналу на виході автогенератора. З цією метою до одного з реактивних компонентів коливальної системи під’єднують компонент, реактивні параметри якого змінюють за заданим законом у відповідності модулюючого сигналу. Так наприклад для здійснення частотної модуляції можна використати варікап (рис 8,б). Як показує аналіз, у цьому випадку для малих значень девіації чатоти справедливе співвідношення:
.
Рис.8. Варіанти схем неавтономних автогенераторів гармонічних коливань.
3. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
Які пристрої називають автогенераторами гармонічних коливань?
Наведіть ознаки, за якими класифікують автогенератори гармонічних коливань.
З яких етапів складається процес утворення коливань в автогенераторах?
Сформулюйте умови балансу амплітуд та балансу фаз в автогенераторі?
Як можна визначити частоту генерованих коливань автогенератора у стаціонарному режимі?
Які методи використовують для аналізу процесів, що відбуваються в автогенераторі?
Як можна визначити амплітуду генерованих коливань у стаціонарному режимі?
Поясніть суть квазилінійного методу?
Як враховується нелінійність характеристик компонентів автогенератора при використанні квазилінійного метода?
Дайте визначення середньої крутості нелінійного компонента (транзистора).
Поясніть причину наявності стійких та нестійких значень амплітуд генерованих коливань у стаціонарному режимі.
Чим визначається можливий режим самозбудження автогенератора?
Охарактеризуйте особливості м’якого та жорсткого режимів самозбудження автогенератора.
Поясніть залежність амплітуди генерованих коливань від коефіцієнта зворотного зв’язку в м’якому та жорсткому режимах самозбудження.
Які процеси можна здійснити в неатономних автогенераторах гармонічних коливань?
4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА
Експериментальні дослідження проводяться на лабораторному макеті “Нелінійне перетворення сигналів”, передня панель якого показана на рис. 9.
Рис. 9. Передня панель лабораторного макета “Нелінійне перетворення сигналів”.
Вимикач S1 служить для розриву кола зворотного зв’язку. Потенціометром R можна задавати робочу точку нелінійного перетворювача і тим самим - режим збудження автогенератора. Коефіцієнт зворотного зв’язку можна плавно міняти за допомогою ручка потенціометра, якого виведена в нижній частині передньої панелі макета.
Для проведення експерименту потрібно:
Зняти передавальну зарактеристику нелінійного перетворювача. Для цього потрібно:
При розірваному колі зворотного зв’язку (перемикач поставити в положення UВХ2) під’єднати до клеми U0 та клеми КТ2 вольтметр постійного струму і змінюючи за допомогою потенціометра U0 значення постійної складової напруги на вході суматора виміряти напруги на вході та виході нелінійного перетворювача. Результати вимірювань занести в таблицю 1. Зміну значення постійної складової напруги U0 сповільнюйте в межах нелінійної ділянки характеристики.
Таблиця 1
U0, В
U0 вих, В
За результатами вимірювань визначте значення постійної складової напруги на вході нелінійного перетворювача “НП”, які відповідають середині лінійної та нелінійної ділянок передавальної характеристики.
2. Визначте частоту власних коливань в автогенераторі , яка відповідає. резонансній частоті смугового фільтра. Для цього встановіть значення постійної складової на вході нелінійного перетворювача U0, яка відповідає середині лінійної ділянки передавальної характеристики. До клеми UВХ1. під’єднайте генератор високочастотних коливань, а до виходу смугового фільта (клема UВИХ2) – вольтметр змінного струму. Встановіть на виході генератора напругу біля 0.1 В і змінюючи частоту генератора добийтеся максимального значення напруги на виході смугового фільтра.
3. На частоті збудження зніміть характеристику середньої крутості для м’якого режиму збудження автогенератора. Для цього за допомогою потенціометра U0 встановіть значення постійної складової напруги на вході нелінійного перетворювача “НП”, яке відповідає середині лінійної ділянки передавальної характеристики і змінюючи значення амплітуди генератора, що під’єднаний до входу нелінійного перетворювача (клема UВХ1), вимірюйте величину напруги на виході смугового фільтра (клема UВИХ2). За допомогою вольтметра змінного струму. Результати вимірювань занесіть в таблицю 2. Зміну амплітуди генератора високої частоти сповільнюйте в межах нелінійної ділянки характеристики.
Таблиця 2
U0, В
, В
, В
4. Зніміть характеристику середньої крутості для жорсткого режиму збудження автогенератора. Для цього за допомогою потенціометра U0 встановіть значення постійної складової напруги на вході нелінійного перетворювача “НП”, яке відповідає середині нелінійної ділянки передавальної характеристики і проведіть вимірювання, як у пункті 3. Результати вимірювань занесіть в таблицю 3. Зміну амплітуди генератора високої частоти сповільнюйте в межах нелінійної ділянки характери-тики.
Таблиця 3
U0, В
, В
, В
5. На підставі даних таблиць 2 і 3 побудуйте залежність для м’якого режиму збудження автогенератора та визначте коефіцієнти зв’язку , при яких можливе виникнення коливань в автогенераторі.
6. Зніміть залежність амплітуди напруги коливань в автогенераторі від величини коефіцієнта зворотного зв’язку для м’якого і жорсткого режимів збудження коливань. Для цього до контрольної точки КТ-3 під’єднайте електронний вольтметр змінного струму та плавно змінюйте потенціометром коефіцієнт зворотного зв’язку . Напругу зміщення встановіть такою ж, як у п. 3. та п.4. Результати вимірювань занесіть в таблицю 4. Зміну коефіцієнта зворотного зв’язку сповільнюйте в межах нелінійної ділянки характеристики.
Таблиця 4
U0, В
, В
, В
5. ЗМІСТ ЗВІТУ
Звіт повинен містити:
1. Схему проведеного експерименту;
Експериментально зняті залежності та характеристики;
Результати проведених розрахунків:
критичні значення коефіцієнта зворотного зв’язку,
амплітуди коливань;
4. Висновки про якісне та кількісне співпадіння розрахункових та експериментальних даних.
6. ЛІТЕРАТУРА
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1986. – c. 270 … 280.
2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высш. шк., 1983. - с. 364 … 370.
3. Андреев В.С. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Связь, 1972. §§4.1 … 4.4.
Навчальне видання
Автогенератор гармонічних коливань
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 15 з дисципліни
“Сигнали та процеси в радіоелектроніці” для студентів
базового напряму “Радіотехніка”.
Укладачі: Желяк Р.І., Мелень М.В., Бондарєв А.П.
12.12.2016 16:12-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора