 |
|
Лабораторна робота №1
ЗМІСТ
Вступ ............................................................................................................ 4
1. Лабораторна робота №1 ......................................................................... 5
Електричні сигнали
2. Лабораторна робота №2 ....................................................................... 13
Резонансний контур
3. Лабораторна робота №3 ....................................................................... 19
Електричні фільтри
4. Лабораторна робота №4 ....................................................................... 25
Вторинні блоки живлення
5. Лабораторна робота №5 ....................................................................... 33
Чотириполюсники
6. Лабораторна робота №6 ....................................................................... 39
Статичні характеристики транзистора
Література .................................................................................................. 46
Вступ
Даний посібник представляє собою першу частину методичних розробок для проведення лабораторних робіт з курсу "Основи радіоелектроніки" для студентів спеціальностей "Фізика", "Прикладна фізика". Тут містяться описи шести лабораторних робіт, тематика яких була продиктована умовою якнайширшого охоплення всіх розділів цього курсу. Опис кожної лабораторної роботи містить короткі теоретичні відомості, необхідні для її виконання, та експериментальну частину, де наведені схеми експериментальних установок та порядок виконання роботи. Теоретичні відомості викладені по можливості стисло і не деталізують всіх явищ і процесів, що відбуваються в реальних схемах. Більш детальні відомості за тематикою лабораторних робіт можна отримати з лекційного курсу та спеціальної літератури, список якої наведено в кінці цих методичних розробок.
Лабораторна робота №1
Електричні сигнали
Мета роботи: ознайомлення з основними формами та параметрами гармонічних та негармонічних електричних коливань, модульованих коливань та імпульсів.
Теоретичні відомості
1. Гармонічні сигнали
Гармонічними називають сигнали, які змінюються в часі за синусоїдальним або косинусоїдальним законом :
, (1)
де Um – максимальне значення (амплітуда) змінної напруги, T - період коливань, t – час, w - кутова частота, y - початкова фаза (див рис.1). Період Т - це час, за який здійснюється одне коливання. Частота рівна числу коливань за 1 секунду:
. (2)
Кутова частота
(3)
вимірюється в радіанах за секунду, або в сек-1. Аргумент синуса у виразі (1) називають фазою коливань. Фаза характеризує стан коливань в даний момент часу t. Таким чином, будь яке гармонічне коливання характеризується трьома величинами: амплітудою, кутовою частотою та початковою фазою.
Під середнім значенням гармонічної напруги розуміють її середнє значення за половину періода :
. (4)
Діюче (ефективне, середньоквадр-атичне) значення змінної напруги чисельно рівне такій величині постійної напруги, теплові дії яких еквівалентні :
. (5)
Більшість електровимірюючих приладів показує діюче значення вимірюваної величини.
Коефіцієнт амплітуди – це відношення амплітуди періодичної функції до її дійсного значення. Для синусоїдальної напруги :
. (6)
Коефіцієнт форми – це відношення дійсного значення періодичної напруги до її середнього значення. У випадку гармонічних сигналів
. (7)
Для негармонічних періодичних сигналів значення коефіцієнта амплітуди та коефіцієнта форми відрізняються від наведених у (6) та (7). Це відхилення опосередковано свідчить про те, наскільки несинусоїдальний сигнал відрізняється від синусоїдального.
2. Негармонічні сигнали
Негармонічними називають сигнали, що змінюються в часі за несинусоїдальним законом. Розрізняють періодичні та неперіодичні негармонічні сигнали.
Періодичні сигнали з періодом 2p можна розкласти в ряд Фурьє :
, (8)
де А0 – постійна складова; А1 – амплітуда синусної складової першої гармоніки; В1 – амплітуда косинусної складової першої гармоніки; А2 – амплітуда синусної складової другої гармоніки і т.д.
Ряд Фурьє (7) можна записати в іншій формі :
де Аk – амплітуда k–тої гармоніки ряду Фурьє. Гармоніки, для яких k – парне число, називають парними, а для яких k – непарне число – непарними.
Амплітуда гармонік негармонічного сигналу залежить від симетрії часових залежностей цього сигналу. На рис.2 наведено три криві, що мають певну симетрію. Крива на рис.2а задовільняє умові 
. Сигнали, для яких виконується ця умова, називають симетричними відносно осі абцис. При розкладі таких кривих в ряд Фурьє відсутні постійна складова і парні гармоніки. Тому сигнали, зображені на рис.2а розкладаються в ряд
(10)
Криві, подібні до кривих на рис.2б, мають симетрію відносно осі ординат і задовільняє умові 
. В розкладі таких кривих присутні тільки косинусні складові і постійна складова, а синусні складові – відсутні :
(11)
Сигнали, показані на рис.2в, задовільняють умові 
. Іх називають кривими, симетричними відносно початку координат. Іх розклад в ряд Фурьє має такий вид :
(12)
Діюче значення несинусоїдальної напруги рівне квадратному кореню з суми квадратів постійної складової і діючих значень окремих гармонік:
. (13)
3. Модульовані сигнали
 |
Модульованим коливанням
називають коливання, в яких амплітуда Um, частота w, або фаза y змінюються в часі. Коливання, в якому змінюється тільки амплітуда, а частота і фаза залишаються незмінними, називають модульованим за амплітудою (АМ коливання). Коливання зі змінною частотою і незмінними амплітудою та фазою називають частотно модульованим (ЧМ), або модульованим за частотою. Коливання, в якому змінюється фаза, а амплітуда і частота – незмінні, називається модульованим за фазою (ФМ коливання).
Найпростішим амплітудно-модульованим є сигнал, в якому амплітуда модульована за синусоїдальним законом з частотою W:
, (14)
де W<<w, а m називають глибиною модуляції. Як правило m<1. Часова залежність амплітудно модульованого коливання наведена на рис.3. Коливання (14) можна представити у виді суми трьох коливань :
. (15)
Частоту wназивають несучою частотою, а частоти (w-W) та (w+W) – бічними. Спектр амплітудно модульованого коливання наведено на рис.3б. Ширина смуги частот, що займає АМ коливання рівна (w+W)-(w-W)=2W. Як слідує із виразу (15), амплітуди коливань бічних частот залежать від глибини модуляції m і при величині m=1 (100% -на амплітудна модуляція) в два рази менші за амплітуду несучої. Таким чином, при передачі АМ сигналу більша частина енергії припадає на передачу несучої частоти, яка не несе інформаційного навантаження. Крім того, амплітудна модуляція має дуже низьку завадостійкість.
При частотній модуляції змінною у часі є частота коливання :
. (16)
Часова залежність ЧМ коливання наведена на рис.4. Якщо модулюючий сигнал змінюється за гармонічним законом з частотою W, то модульований сигнал представляється у виді
, (17)
де w0 – несуча частота, g=Dw/W - глибина модуляції. Теоретично смуга частот, яку займає ЧМ коливання рівна нескінченності, однак амплітуди бічних частот сильно затухають при віддаленні від несучої, тому практично приймають, що ЧМ коливання займає смугу частот 2Dw.
При фазовій модуляції змінюється у часі тільки фаза y=y(t). Прийнявши y(t)=ymCosWt отримуємо
. (18)
Ширина смуги частот, яку займає ФМ коливання рівна 2ymW. Часова залежність модульованого за фазою коливання подібна до часової залежності ЧМ коливання (див рис.4).
4. Форма і параметри імпульсів
Імпульсом називають короткочасну зміну напруги електричного кола, тривалість якої співрозмірна або менше тривалості перехідних процесів у цьому колі. Якщо тривалість сигналу більше тривалості перехідних процесів у електричному колі, то режим роботи під час дії сигналу вважається встановленим, а сам сигнал для такого кола не являється імпульсним.
За формою імпульси дуже різноманітні. Найбільш часто використовують імпульси, наведені на рис.5. На цьому рисунку наведено імпульси ідеальної форми, які
 |
слід розглядати як взірці імпульсів реальної форми.
Прийнято розрізняти два типи імпульсів: відеоімпульси, що представляють собою короткочасну зміну напруги в електричному колі (рис.5) та радіоімпульси - короткочасні імпульси високочастотної синусоїдальної напруги (рис.6). Радіоімпульси є по суті модульованими коливаннями, які мають обвідну, що має форму відеоімпульса, та високочастотну складову, яку називають частотою заповнення (або несучою частотою).
Періодична послідовність імпульсів (див рис.5) характеризується періодом повторення Т та частотою f=1/T. Відношення періоду повторення до тривалості імпульса називають скважністю
. (19)
 |
Величину, обернену до скважності, називають коефіцієнтом заповнення Кзап=1/q=fti=ti/T.
Окрім параметрів періодичної послідовності важливе значення мають параметри форми реальних імпульсів. Характерними ділянками імпульса, що характеризують його форму (див. рис.7), є передній фронт (1-2), вершина (2-3) та задній фронт (3-4). Основними параметрами форми прямокутних імпульсів є амплітуда Um, тривалість імпульса ti, тривалість переднього фронту tф, тривалість заднього фронту (або зрізу) tc, спад вершини імпульса DUm. Тривалість реального імпульса вимірюють на рівні 0,1Um або 0,5Um. Інтервали часу, які відповідають тривалості переднього та заднього фронтів, відраховують між рівнями 0,1Um ¸0,9Um та 0,9Um ¸0,1Um, відповідно.
Резюме
1. Основними параметрами гармонічного сигналу являються амплітуда, частота та початкова фаза. Спектр гармонічного сигналу складається з однієї смуги амплітудою Um на частоті w.
2. Негармонічні періодичні сигнали можна представити у виді суперпозиції гармонічних коливань - гармонік. Спектр негармонічного сигналу залежить від амплітуди та кількості гармонік, які визначаються формою цього сигналу.
3. Основними типами модуляції коливань являються амплітудна, частотна та фазова модуляція.
Експериментальна частина
1. Дослідження параметрів гармонічних сигналів
1. Зібрати схему експериментальної установки для визначення параметрів сигналів (рис.7). В якості генератора гармонічних сигналів використати генератор, вмонтований в лабораторний пристрій К4822-2. Перевести його в режим генерації синусоїдальної напруги. В якості вольтметра В1 використати вмонтований комбінований електровимірювальний пристрій. Встановити вольтметр В1 на діапазон вимірювання змінної напруги 1 В. Включити живлення установки та перевірити її працездатність. На екрані осцилографа повинен спостерігатись стійкий неспотворений гармонічний сигнал.
 |
2. За показами осцилографа визначити амплітуду Um та період T сигналу. За показами вольтметра В1 визначити дійсне значення змінної напруги Ud.
3. Розрахувати частоту f, кутову частоту w, середнє значення за половину періода Uc, діюче значення U, коефіцієнт амплітуди Ка та коефіцієнт форми Кф досліджуваного сигналу. Порівняти діюче значення гармонічного сигналу U, отримане розрахунковим шляхом, з експериментально визначеним за показами вольтметра змінного струму Ud .
2. Дослідження параметрів імпульсних сигналів
1. Перевести вмонтований в лабораторний пристрій К4822-2 генератор в режим генерації прямокутних імпульсів.
2. За показами осцилографа визначити амплітуду Um, період T, тривалість t, скважність q та коефіцієнт заповнення Кзап. Розрахувати частоту послідовності прямокутних імпульсів f.
3. Перевести вмонтований в лабораторний пристрій К4822-2 генератор в режим генерації трикутних імпульсів. За показами осцилографа визначити амплітуду Um та період T цих імпульсів, розрахувати їх частоту f.
3. Дослідження параметрів амплітудно модульованих сигналів
 |
1. Зібрати схему експериментальної установки для визначення параметрів амплітудно модульованих сигналів. (рис.8). В якості генератора частоти модуляції використати генератор, вмонтований в лабораторний пристрій К4822-2. Перевести його в режим генерації синусоїдальної напруги.
2. Перевести генератор Г4-158 в режим амплітудної модуляції, для чого необхідно:
а) після включення живлення генератора, ручкою настройки частоти встановити частоту сигналу рівною 100 кГц;
б) кнопками “ЗБІЛЬШЕННЯ” та “ЗМЕНШЕННЯ” встановити рівень затухання сигналу рівним 10 дБ. При цьому на екрані осцилографа повинен спостерігатись немодульований сигнал несучої частоти;
в) кнопкою “РЕЖИМ” перевести генератор в режим зовнішньої амплітудної модуляції, при цьому починає мигати індикаторний світлодіод “ВНЕШ АМ”. Натиснути кнопку “ИНД”, при цьому повинен запалитися світлодіод “%”. Кнопками “ЗБІЛЬШЕННЯ” та “ЗМЕНШЕННЯ” встановити рівень модуляції сигналу рівним 70 %.
г) включити живлення вмонтованого в лабораторний пристрій К4822-2 генератора частоти модуляції. При цьому на екрані осцилографа повинен спостерігатись неспотворений амплітудно модульований сигнал.
3. За осцилографом визначити частоту модуляції, несучу частоту, коефіцієнт модуляції досліджуваного амплітудно модульованого сигналу.
4. Почергово перевести вмонтований в лабораторний пристрій К4822-2 генератор в режим генерації прямокутних, трикутних та пилкоподібних сигналів. Замалювати епюри відповідних амплітудно модульованих сигналів.
4. Дослідження форми та спектрального складу гармонічних, негармонічних та модульованих сигналів на ПК
1. Дослідити форму та спектральний склад гармонічних та негармонічних сигналів на ПК, використовуючи пакет прикладних програм WAVELAB, GOLDWAVE або SOUND FORGE.
2. Дослідити форму та спектральний склад амплітудно модульованих, частото- та фазомодульованих сигналів та сигналів з квадратичною модуляцією.
3. Зробити висновки.