Установка включает в себя лабораторный макет для исследования LС-автогенераторов (на лампе и транзисторе), связанный с лабораторным стендом ЛРС-1Г, и ряд измерительных приборов: измерительный генератор (ИГ) гармонических колебаний, электронный вольтметр (ЭВ) и осциллограф (ЭО). Схема лабораторного макета представлена на рис. 5.9 и содержит электронную лампу Л1 и транзистор VT1, колебательный контур L2, C3 (+C6) в цепи анодаЛ1 (коллектора VT1), катушку обратной связи (ОС) L1, разделительные конденсаторы С1,С5, и блокировочные С2и С4, резисторы автосмещения R1 (в цепи сетки Л1) и R3, R6 (в цепи базы VT1), защитный («гасящий») резистор R2 в цепи анода Л1 и коллектора VT1).
Последовательно с катушкой L2 в контуре введен дополнительно резистор Rк с малым сопротивлением (18 Ом). С которого можно снимать напряжение, пропорциональное потоку в катушке, которое сдвинуто по фазе на 90 градусов относительно напряжения на контуре (на L2), что позволяет получить на экране ЭО фазовый портрет колебаний в генераторе. Катушка ОС L1 может перемещаться относительно контурной L2 на расстояние Lсв (от 0 до 50мм), отмечаемое по шкале в правой верхней части макета при вращении ручки на правой боковой стенке макета. При этом изменяется величина Кос от максимального (при Lсв=0) до минимального (при Lсв=50мм) значений. Замыкая (и размыкая), соответствующие гнезда (1…28) на макете можно исследовать LC-генераторы в мягком и жестком режиме на лампе Л1 или транзисторе VT1. Питающие напряжения: анодное +Еа, сеточное – Ее (и коллекторное – Ек (она равна Ес) подаются в макет от блока питания (БП) стенд ЛРС-1Р. Вход ЭВ любого типа с большим Rвх 1МОм и более, например В3-38, В7-27 и вход Y ЭО (любого, имеющего еще и вход Х, например типа С1-76 или др.) подключаются параллельно контуру (к гнездам 25,26 и 22,23 соответственно), а вход Х ЭО подключается к гнезду 29. ИГ должен иметь изолированные от корпуса выходные клеммы и перекрывать диапазон ультразвуковых частот (примерно от 59 до 200 кГц), например, типа ГЗ-109 или Г3-33 или др. Корпусные клеммы всех приборов и лабораторного макета должны быть соединены с корпусной клеммой БП стенда ЛРС-1, которая должна быть заземлена. Перед включением и подачей на макет питающих напряжений необходимо обязательно разомкнуть гнезда 17-20-24 (и 15-19-21) макета.
ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
3.1Изучить по рекомендованной литературе принцип действия лампового и транзисторного LC-автогенератора с трансформаторной обратной связью, методику расчета амплитуды автоколебаний по колебательным характеристикам в случае мягкого и жесткого режимов самовозбуждения, способы оценки устойчивости стационарного режима, фазовые портреты автоколебаний.
3.2Изучить устройство измерительных приборов, используемых в работе ИГ, ЭВ и ЭО, правила подготовки их к измерениям и особенности эксплуатации в соответствии с техническими описаниями приборов и инструкциями по их эксплуатации.
3.3Детально ознакомиться с лабораторным заданием, усвоить схемы замыкания и размыкания соответствующих гнезд макета для выполнения разных п.п. задания.
3.4Подготовить материалы для отчета (титульный лист, схемы, краткие т.д. приборов, необходимые для работы, таблицы для экспериментальных данных и др.), а также ответы на все контрольные вопросы.
ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
4.1Подготовка лабораторной установки к работе
Соединить гнезда «корпус» всех приборов, включая блок питания стенда ЛРС-1Р с подключением к нему макета LC-генератора, из которого должны быть, вынуты все короткозамыкатели. После этого включить все приборы в сеть и подготовить их к работе в соответствии с инструкциями по эксплуатации (ИЭ). Установить на блоке питания стенда ЛРС-1Р напряжение питания анода (для лампы Л1 макета) Еа=100В и напряжение смещения Ес и питания коллектора (для транзистора VT1) Ес=Ек=-12В.
Замкнуть цепь положительной обратной связи (замкнуть гнезда 13-16 и отключить ИГ) и снять зависимость амплитуды колебаний в контуре от величины коэффициента связи (от Lсв)- характеристики возбуждения Vк=F(Lсв) для случаев мягкого и жесткого режима самовозбуждения. Для реализации мягкого режима нижний конец катушки L1 заземляется через замыкаемые гнезда 10-14, а верхний подключается последовательно с цепочкой автосмещения С1 и R1 к сетке лампы (при этом нужно закоротить гнезда 5-6). Для реализации жесткого режима верхний конец катушки L соединяется с сеткой лампы непосредственно (минуя конденсатор С1 через замкнутые гнезда 5 и 7), а нижний конец замыкается на гнездо – Е через замкнутые гнезда 9-14, т.е. должен быть подключен к катоду лампы Л1 последовательно с источником внешнего смещения – Ес.
4.3Временные диаграммы
Одновременно с выполнением п.1.2 снять осциллограммы напряжений на аноде и сетке лампы при нескольких значениях коэффициента обратной связи для случаев мягкого и жесткого режимов самовозбуждения.
4.4Фазовые портреты колебаний
При тех же значениях коэффициента связи, что и в п.4.3 получить на экране осциллографа и зарисовать фазовые портреты автоколебаний в мягком и жестком режимах. Для этого на вход “Х” осциллографа (работающего с выключенным генератором развертки) подать напряжение с добавочного резистора Rк, включенного последовательно с катушкой L2 контура (гн. 29), а на пластины “Y”- напряжение непосредственно с контура (гн. 22 или 25).
4.5Снятие колебательных характеристик.
Собрать (при помощи короткозамыкателей) схему лампового LС-генератора для снятия колебательных характеристик, подключив выход ИГ к сетке лампы, а вход ЭВ – параллельно контуру в аноде лампы. Цепь положительной обратной связи при этом должна быть разорвана (разомкнуты гнезда 13-16).
Снять колебательные характеристики лампового LC-генератора Uк=F(Uc) для мягкого и жесткого режимов. При этом в случае мягкого режима выход ИГ подключается между катодом и сеткой лампы генератора последовательно с цепочкой автосмещения С1, R1 к гнездам 12 и 10 (или 3) при замкнутых гнездах 5-6. В случае жесткого ИГ, отсоединенный от клеммы корпус, подключается непосредственно между сеткой к гнезду 4 и катодом лампы (минуя цепь автосмещения) последовательно с источником напряжения автосмещения – Ес к гнезду 9 или 2. Для подачи Еа в цепь анода Л1 замкнуть гнезда 15-19 и 17-20 (только после всех остальных переключений в макете, в последнюю очередь). Частоту ИГ настроить на резонансную частоту контура на L2 (с подключенными к нему ЭВ и ЭО). Uвых ИГ изменять от 0 до уровня, при котором Uкпревысит (немного) величину Uкр в п.4.2.
4.6Снятие характеристик обратной связи
Одновременно с выполнением п.4.5 снять характеристики обратной связи Uос=F(Uс), переключая ЭВ параллельно катушке L (к гнезду 16 при замкнутых гнездах 10-14), при значениях коэффициента связи между катушками L и L2 внутри зоны генерации в п.4.2 определить по колебательным характеристикам и линиям обратной связи амплитуду колебаний для каждого значения коэффициента связи стационарную амплитуду колебаний для каждого значения Lсв и сравнить ее с полученной экспериментально Uкр в п.4.2.
4.7Самомодуляция и прерывистая генерация
Установить напряжение смещения Ес=-6В при работе в жестком режиме. Получить при некоторых значениях коэффициента связи режим прерывистой генерации и самомодуляции. Снять осциллограммы напряжений на сетке и аноде лампы, а также фазовые портреты автоколебаний для этих случаев. Объяснить возможность возникновения эффекта самомодуляции и прерывистой генерации в LC-автогенераторе (в отчете).
4.8Исследование автогенератора на транзисторе
Выполнить исследования по пп.4.2-4.7 для транзисторного генератора на VT1. Для этого для замыкания цепи ОС (в пп.4.2,4.3,4.4,и 4.7) нужно замкнуть гнезда 16-18 вместе с 10-14, а для подключения Ек в цепь коллектора VT1 нужно замкнуть гнезда 19-21 и 20-24 (после всех других переключений). Для выполнения пп.4.5 и 4.6 выход ИГ нужно подключать к гнездам 18 и 28 (или 3) при замкнутых гнездах 10-14. При этом величины измеряемых напряжений Vк, Uвых ИГ и др. в генераторе на VT1 будут значительно меньшими, чем в генераторе на Л1. Какой получится режим в транзисторном генераторе (мягкий или жесткий), нужно определить по результатам его исследования.
Методические указания
5.1.При выполнении переключений в лабораторном макете необходимо сначала размыкать гнезда в цепи питания (анода Л1 и коллектора VT1) 15-19-21 и 17-20-24, и только потом (на обесточенном макете) переключать другие гнезда (в цепи ОС, сетки Л1 и др.) и лишь затем опять замыкать вышеуказанные гнезда в цепи питания. Этот порядок необходимо соблюдать при выполнении всех п.п. задания во избежание перегрева и выхода из строя лампы Л1 и транзистора VT1.
5.2.При выполнении п.4.2 необходимо снять прямой и обратный ход зависимости Uкг от Lсв, имея ввиду, что в жестком режиме эта зависимость должна иметь гистерезный характер (этот гистерезис необходимо выявить путем многократного повторения эксперимента при необходимости).
5.3.При снятии колебательных характеристик (в п.4.5) в жестком режиме необходимо подключать клеммы выхода ИГ между сеткой Л1 (гнездо 4) и источником смещения - Ес(гнездо 8 или 9) при обязательном предварительном отсоединением этих клемм (выхода ИГ) от корпусной клеммы самого ИГ, во избежание выхода из строя источника напряжения – Есв БП стенда ЛРС-1Р (при его закорачивании через клеммы выхода ИГ, если они не были отсоединены от корпусной клеммы).
5.4.При снятии осциллограмм в п.4.3 необходимо определить по ним значение периода Т (и частоты fг) генерируемых колебаний, которую нужно сравнить затем с резонансной частотой контура на L2 (с подключенными к нему приборами ЭВ и ЭО), на которую нужно настраивать частоту колебаний ИГ при снятии колебательных характеристик и линий ОС в п.4.5. При экспериментальном определении последних приходится переключать вход ЭВ из контура (гнездо 25) в цепь катушки ОС (гнездо 16 при закороченных гнездах 10-14). При отключении входа ЭВ от контура несколько изменяется его резонансная частота (из-за уменьшения полной емкости контура на величину Свх ЭВ и емкости соединительного коаксиального кабеля). Это изменение резонансной частоты следует компенсировать соответствующей подстройкой частоты ИГ или же (для исключения необходимости переключения ЭВ) использовать не один ЭВ, а два, подключенные один к контуру, а другой – к катушке L1(гнезду 16) в цепи ОС.
5.5.При выполнении п.4.7 следует учитывать, что явления самомодуляции и прерывистой генерации возникают при Lсв Lкр (при очень плавном изменении расстояния между катушками Lсв вблизи точек срыва и возбуждения автоколебаний).
Указания к отчету
Отчет должен содержать:
- цель работы и основные выражения (условия возбуждения и уравнения баланса амплитуд и фаз);
- схемы лабораторного макета с подключенными измерительными приборами для выполнения различных п.п. лабораторного задания;
- краткие технические данные используемых измерительных приборов, необходимых для определения величин измеряемых параметров и их погрешностей;
- таблицы с результатами измерений (и расчетов) в соответствии с п.п. лабораторного задания (с краткими названиями этих п.п. и величинами заданных параметров (Еа, Ес и др.));
- осциллограммы, фазовые портреты и графики снятых зависимостей с названиями и краткими пояснениями;
- краткие выводы по работе с критическим анализом полученных результатов, сравнением их с положениями теории и объяснением возможных расхождений и несоответствий.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое автогенератор, каковы его обобщенная схема и принцип работы?
2. Чем похожи и чем отличаются условия возбуждения и условия стационарности, как из последнего получить уравнения баланса амплитуд и фаз?
3. Что такое колебательные характеристики и линии обратной связи (ОС), как определить по ним амплитуду генерируемых колебаний?
4. Чем отличаются колебательные характеристики в “мягком” и “жестком” режимах и как определить их (и линии ОС) экспериментально в данной работе?
5. Как выглядят характеристики возбуждения и как их определить экспериментально для “мягкого” и “жесткого” режимов в данной работе?
6. Что такое “фазовый портрет” автоколебаний и как его определить экспериментально в данной работе?
7. Как выглядят временные диаграммы и фазовые портреты автоколебаний гармонических, а также в режимах самомодуляции и прерывистой генерации? Какие причины могут вызвать такие режимы в LC-генераторе?
8. Как определить частоту генерируемых колебаний экспериментально в данной работе, и из какого уравнения можно найти эту частоту?
Литература:
1. Андреев В.С. Теория нелинейных электрических цепей6 Учеб. Пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1982.
2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. пособие для вузов. – 3-е изд. – М.: Высш. шк., 2000.
3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. пособие для вузов. – 50е изд. – М.: Дрофа, 2006.
4. Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А., Теория нелинейных электрических цепей: Учебник для электротех. Институтов связи. – М.: Связь, 1974.