Файл: Лабораторная работа 1 Моделирование источников сигналов и цепей в Micro Cap.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.02.2024
Просмотров: 39
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лабораторная работа №2
Исследование колебаний в резонансных цепях
2.1. Исследование последовательного колебательного контура.
Введите схему последовательного колебательного контура по рис. 2.1. Параметры источника Sine source пока не важны, емкость С1 выберите произвольно из интервала 100р…3000р, индуктивность L1 из интервала 0.1u…5u. Постройте в режиме AC Analysis АЧХ (и в децибелах, т.е. db(v(C1)), и в разах, т.е. v(С1)) и ФЧХ контура, т.е. ph(v(C1)) и по ним найдите точную резонансную частоту контура fp. Запишите fp. Найдите по графикам и запишите ширину полосы пропускания контура П по уровню –3 дБ, по ней оцените добротность контура Q = fp / П. Запишите Q.
У
становите в источнике Sine source частоту F = fp. В режиме Transient Analysis постройте на одной системе координат графики напряжений на источнике v(V1), на конденсаторе v(C1) и на катушке v(L1). Обратите внимание на характер установления амплитуды колебаний и найдите время установления по уровню 0.9 от установившегося значения амплитуды. Проверьте, что оно может быть вычислено как 3*(2Q / 2fp), так как выражение в скобках имеет смысл постоянной времени контура. Обратите внимание на почти точное совпадение амплитуд напряжений на конденсаторе и катушке. Попытайтесь оценить разность между ними (конечно, с помощью одного или двух курсоров). Вычислите, во сколько раз эти напряжения больше по амплитуде напряжения на источнике. Эта величина должна быть равна добротности контура Q (поэтому и резонанс в последовательном контуре называют резонансом напряжений). Сравните ее с найденным по АЧХ значением добротности. У
становите в источнике Sine source частоту F = fp+1 МГц. В режиме Transient Analysis постройте на одной системе координат те же графики напряжений на источнике v(V1), на конденсаторе v(C1) и на катушке v(L1). Амплитуда колебания теперь устанавливается по закону затухающей синусоиды. Найдите частоту этой синусоиды (подсказка: надо с помощью двух курсоров найти разность по времени между двумя соседними максимумами, т.е. период биений) и сравните её с разностью F - fp. Обратите внимание на разницу между амплитудами v(C1) и v(L1).Еще раз постройте АЧХ контура по рис. 2.1. Обратите внимание, что для частот, значительно больших и значительно меньших f
p, фильтр ведет себя как ФНЧ. Постройте с помощью режима Stepping семейство АЧХ для R1, изменяющегося от 3 до 33 Ом с шагом 5 Ом. Убедитесь, что при снижении добротности контур ведет себя как обычный нерезонансный ФНЧ.
Поменяйте местами L и C и опять постройте АЧХ (теперь выходным сигналом фильтра будет напряжение v(L1)). Обратите внимание на поведение АЧХ – теперь контур является фильтром ВЧ.
Включите последовательный колебательный контур с прежними значениями L и С как режекторный фильтр («фильтр-дырку») по рис. 2.2. Снимите АЧХ и ФЧХ фильтра v(out) и ph(v(out)). Обратите внимание, что теперь фильтр подавляет те частоты, которые подчеркивал фильтр по рис.2.1. Сделайте для себя вывод, что сопротивление последовательного контура на резонансной частоте имеет минимум.
2.2. Исследование параллельного колебательного контура.
Н
арисуйте схему параллельного колебательного контура по рис. 2.3. Параметры источника Sine source пока не важны, С1 и L1 возьмите из пункта 2.1. Постройте в режиме AC Analysis АЧХ (и в децибелах, т.е. db(v(C1)), и в разах, т.е. v(С1)) и ФЧХ контура, т.е. ph(v(C1)) и по ним найдите точную резонансную частоту контура fp. Запишите fp. Найдите по графикам и запишите ширину полосы пропускания контура П по уровню –3 дБ, по ней оцените добротность контура Q = fp / П. Запишите Q, сравните с добротностью последовательного контура, имеющего те же номиналы элементов.Установите в источнике Sine source частоту F = fp. В режиме Transient Analysis постройте на одной системе координат графики токов через источник i(V1), через конденсатор i(C1) и через катушку i(L1). Обратите внимание на характер установления амплитуды колебаний и найдите время установления по уровню 0.9 от установившегося значения амплитуды. Проверьте, что оно может быть вычислено как 3*(2Q / 2fp), так как выражение в скобках имеет смысл постоянной времени контура. Обратите внимание на почти точное совпадение амплитуд токов через конденсатор и катушку. Попытайтесь оценить разность между ними. Вычислите, во сколько раз эти токи больше по амплитуде тока через источник. Эта величина должна быть равна добротности контура Q (поэтому и резонанс в последовательном контуре называют резонансом токов). Сравните ее с найденным по АЧХ значением добротности.
У
становите в источнике Sine source частоту F = fp-0.5 МГц. В режиме Transient Analysis постройте на одной системе координат те же графики токов. Амплитуда колебания теперь устанавливается по закону затухающей синусоиды. Найдите частоту этой синусоиды (подсказка: надо с помощью двух курсоров найти разность по времени между двумя соседними максимумами, т.е. период биений) и сравните её с разностью fp - F. Обратите внимание на увеличившуюся разницу между амплитудами i(C1) и i(L1).
Включите параллельный колебательный контур с прежними значениями L и С как режекторный фильтр («фильтр-пробку») по рис. 2.4.
Снимите АЧХ и ФЧХ фильтра v(out) и ph(v(out)). Обратите внимание, что теперь фильтр подавляет те частоты, которые подчеркивал фильтр по рис.2.3. Сделайте для себя вывод, что сопротивление параллельного контура на резонансной частоте имеет максимум.
С
оберите двухконтурный полосовой фильтр на связанных одинаковых контурах по рис. 2.5. Емкости и индуктивности в контурах возьмите прежними. Снимите АЧХ и ФЧХ фильтра v(out) и ph(v(out)) для емкости связи С4 = 10р. Повторите моделирование, увеличивая С4 до 50р, 100р, 150р. (Удобно воспользоваться для этого режимом Stepping.) Обратите внимание, что на АЧХ при сильной связи между контурами появляется два максимума, хотя контура и одинаковы. Далее необходимо добавить третий контур и снять АЧХ для такого многоконтурного фильтров. Добейтесь подбором частотозадающих элементов контуров АЧХ фильтра, близкой к прямоугольной.
Лабораторная работа №3
Исследование нелинейного резонансного усилителя и умножителя частоты
3.1. Исследование работы усилителя в режиме с отсечкой тока.
Соберите схему модели резонансного усилителя с отсечкой тока (рис.3.1). В качестве L1 и C1 возьмите произвольные значения в интервалах 1…3 мкГн и 1…3 нФ. Параметры источника сигнала пока возьмите по умолчанию. Напряжения источников V1 (напряжение смещения цепи базы) и V3 (напряжение питания цепи коллектора) должны быть равны указанным на схеме. При установке на схему транзистора введите имя какой-либо несуществующей модели (произвольное), при этом получится «идеальный» безынерционный транзистор.
Рис.3.1 Рис.3.2
Снимите АЧХ каскада в режиме АС анализа с целью точного измерения резонансной частоты. Установите частоту источника сигнала равной резонансной частоте, а амплитуду 250…300 мВ. В режиме Transient Analysis постройте графики выходного напряжения усилителя v(out), тока коллектора ic(Q1) и тока базы ib(Q1). Время анализа – 10…20 мкс. По графикам тока коллектора найдите угол отсечки этого тока по формуле
= (360 * t1) / (2*t0),
где t1 – длительность импульса тока, t0 – период колебания (как их измерить, показано на рис. 3.2).
Напоминаем, что углу отсечки 180 (т.е. отсутствию отсечки тока) соответствует класс работы А, углам отсечки = 90…180 – класс работы АВ, углу отсечки = 90 – класс работы В, углам отсечки меньше 90 – класс работы С.
Определите, к какому классу работы относится установившийся в вашем усилителе режим. Установите напряжение смещения V1 цепи базы так, чтобы получить классы работы А, затем АВ, В, С (Установление каждого класса работы контролируется преподавателем.)
П
остройте спектр тока коллектора (одного периода!) для угла отсечки 90. Для этого в задании на моделирование запишите mag(harm(ic(Q1))) по оси Y и F по оси Х. Выделите для анализа спектра один период колебания тока коллектора. Для этого в режиме Transient Analysis в меню Transient откройте окошко DSP Parameters (рис.3.3) и укажите в нем Upper Time Limit равный tmax, а Lower Time Limit равный tmax минус период колебания (период колебания рассчитайте по возможности точнее). Важно, чтобы разность Upper Time Limit и Lower Time Limit получилась равной именно одному периоду частоты входного сигнала. Запустите моделирование и проконтролируйте полученный спектр. Если он получился правильно (оцениваете совместно с преподавателем), то числа, записанные в окошке DSP Parameters, не изменяйте – они пригодятся при выполнении последних пунктов работы.
3.2. Исследование напряженности режима работы резонансного усилителя.
Существуют недонапряженный, критический и перенапряженный режимы работы активного элемента (транзистора, лампы) в резонансном усилительном каскаде. Перенапряженным называется режим, при котором в течение части периода колебания происходит перераспределение токов выходного и входного электродов активного элемента (например, коллектора и базы биполярного транзистора). При этом в течение части периода биполярный транзистор находится в режиме насыщения, за счет которого в импульсе тока коллектора наблюдается провал, а в импульсе тока базы – всплеск (рис.3.4).
Рис.3.4
Установите амплитуду сигнала 450…500 мВ, а напряжение смещения 0,5 В. Снижая напряжение питания коллектора, добейтесь слегка перенапряженного режима работы каскада.
Увеличьте частоту сигнала на 0,5%. Слегка повышая (при необходимости) амплитуду входного сигнала, добейтесь перенапряженного режима и убедитесь, что провал в импульсе переместился. То же самое повторите для пониженной на 0,5% частоты.
Верните источнику сигнала частоту, равную резонансной частоте каскада. Замените несуществующий «идеальный» транзистор на реальный, например, ВС547 или другой высокочастотный. Добейтесь работы каскада в классе В или С в слегка перенапряженном режиме. Пронаблюдайте получившуюся форму провалов в токе коллектора и всплесков в токе базы.
3.3. Исследование резонансного умножения частоты.
Увеличьте напряжение питания коллекторной цепи до 50 В, чтобы получить заведомо недонапряженный режим. Установите угол отсечки 90. Запишите или запомните амплитуду напряжения на нагрузке.
Перестройте контур на вторую гармонику частоты входного сигнала (проконтролируйте правильность настройки в АС анализе). Измерьте амплитуду полученного на нагрузке колебания с удвоенной частотой. Сравните ее с амплитудой в режиме усиления сигнала без умножения частоты.
Перестройте контур на третью гармонику частоты входного сигнала (проконтролируйте правильность настройки в АС анализе). Измерьте амплитуду полученного на нагрузке колебания с утроенной частотой. Сравните ее с амплитудой в режиме усиления сигнала без умножения частоты и с удвоением частоты. Установите угол отсечки 60 и повторите моделирование работы утроителя частоты.
Проконтролируйте спектр выходного напряжения утроителя частоты на резонансном контуре (в точке out по рис.3.1). Для этого в задании на моделирование запишите mag(harm(v(out))) по оси Y и F по оси Х. Выделите для анализа спектра один период колебания выходного напряжения так же, как делали в п.3.1 для тока коллектора.
Обратите внимание, что одиночный колебательный контур плохо справляется с задачей фильтрации ненужных спектральных составляющих. Запишите относительные значения амплитуд первой, второй и четвертой гармоник (нормированные к амплитуде третьей гармоники).
Соберите схему утроителя частоты с двухконтурным полосовым фильтром (рис.3.5); получите эпюры напряжений и их спектры (пример – на рис.3.6) на первом и втором контурах фильтра (точки out, out2 на рис.3.5). Запишите относительные значения первых четырех гармоник. Сделайте сравнение с одноконтурной схемой утроителя.