Файл: Г. Л. ШтрапенинВ. Т. ШныревЭлектроника и схемотехника.pdf

Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электрические машины»
Г. Л. Штрапенин
В. Т. Шнырев
Электроника и схемотехника
Екатеринбург
Издательство УрГУПС
2012

Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электрические машины»
Г. Л. Штрапенин
В. Т. Шнырев
Электроника и схемотехника
Раздел «Аналоговые устройства»
Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальностей
190901 – «Системы обеспечения движения поездов»,
221000 – «Мехатроника и робототехника»,
230100 – «Информатика и вычислительная техника»,
230400 – «Информационные системы и технологии»
всех форм обучения
Екатеринбург
Издательство УрГУПС
2012

УДК 621.38(075.8)
Ш-76
Штрапенин, Г. Л.
Ш-76
Электроника и схемотехника : метод. указания / Г. Л. Штрапенин,
В. Т. Шнырев. – Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2012. – 69, [3] с.
Указания составлены в соответствии с учебными планами дисциплин «Физиче- ские основы электротехники и электроники», «Электроника» и «Основы схемотехни- ки» для студентов специальностей 190901 – «Системы обеспечения движения поез- дов», 221000 – «Мехатроника и робототехника», 230100 – «Информатика и вычисли- тельная техника», 230400 – «Информационные системы и технологии» всех форм обучения и содержат основные теоретические сведения и указания к выполнению шести лабораторных работ. Выполнение практической части лабораторных работ проводится на специализированных стендах или в программе моделирования элек- тронных устройств Multisim, краткое описание программы приведено в приложении.
Методические указания могут быть использованы на аудиторных занятиях и для самостоятельной работы, в частности, в процессе выполнения курсового и ди- пломного проектирования.
УДК 621.38(075.8)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета университета
Авторы: Г. Л. Штрапенин, доцент кафедры «Электрические машины»,
канд. физ.-мат. наук, УрГУПС
В. Т. Шнырев, профессор кафедры «Электрические машины»,
канд. техн. наук, УрГУПС
Рецензент: Ю. В. Новоселов, доцент кафедры «Электрические машины»,
канд. техн. наук, УРГУПС
© Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2012

3
Оглавление
Введение………………………………………………………………………….. 4
Лабораторная работа 1. Изучение транзисторного усилителя звуковой частоты………………………………………………... 6
Лабораторная работа 2. Изучение транзисторного усилителя с отрицательной обратной связью… ……………….. 13
Лабораторная работа 3. Изучение эмиттерного повторителя……………........ 20
Лабораторная работа 4. Изучение усилителя мощности звуковой частоты…. 25
Лабораторная работа 5. Изучение операционных усилителей……………….. 30
Лабораторная работа 6. Изучение аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей…………………………………….. 43
Приложение Краткое описание программы моделирования электронных устройств Multisim …………………. 56
Библиографический список……………………………………………………... 69

4
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторный практикум является очень важным элементом изучения электроники и схемотехники, поскольку только в ходе выполнения лаборатор- ных работ и обсуждения их результатов у студентов формируется достаточное понимание предмета и навыки работы с электронными устройствами.
Указания составлены в соответствии с учебным планом дисциплин «Фи- зические основы электротехники и электроники», «Электроника» и «Основы схемотехники» для студентов специальностей 190901 – «Системы обеспечения движения поездов», 221000 – «Мехатроника и робототехника», 230100 – «Ин- форматика и вычислительная техника», 230400 – «Информационные системы и технологии» всех форм обучения и содержат основные теоретические сведения и руководство к выполнению шести лабораторных работ с использованием специализированных лабораторных стендов, выпускаемых промышленностью,
и (или) программы моделирования электронных устройств Multisim. Как правило, для изучения предлагается несколько устройств, из которых по указа- нию преподавателя могут быть выбраны наиболее соответствующие объему ча- сов, а также тематике и уровню преподавания.
При дистанционном и заочном обучении, а также в филиалах головного вуза, когда нет возможности работать на специализированных стендах, занятия могут проводиться в компьютерных классах с использованием программы мо- делирования электронных устройств Multisim. Следует отметить, что хотя за- мена изучения реальных электронных устройств их компьютерным моделиро- ванием не является полностью адекватной, однако в реально существующей ситуации проведение лабораторных работ при использовании соответствующих моделирующих программ существенно повышает эффективность учебного процесса при нестационарных формах обучения.
Отличительной особенностью программы Multisim фирмы National In-
struments является своеобразный интерфейс, выполненный таким образом, что для анализа электронных схем, введенных графически в соответствии с ЕСКД,
возможно использование виртуальных измерительных приборов: мультиметра,
осциллографа, функционального генератора и др. Внешний вид приборов и ор- ганы управления ими максимально приближены к настоящим, а измерения производятся путем подключения приборов в схему и снятием с них показаний точно так же, как это делается при анализе реальных устройств. Краткое описа- ние программы приведено в приложении к данным указаниям.
Накопленный опыт использования программы показал, что необходимые для выполнения заданий лабораторного практикума навыки работы приобре- таются студентами в течение первых двух учебных часов, а при наличии опыта работы с электро- и радиоизмерительными приборами – еще быстрее. Таким образом, программа Multisim наилучшим образом подходит для организации виртуального лабораторного практикума.
Перед выполнением цикла лабораторных работ студенты должны озна- комиться с устройством стенда (если таковой имеется) и (или) программой мо-

5
делирования Multisim. Перед выполнением каждой лабораторной работы следу- ет изучить ее описание и, используя лекционный материал и рекомендуемую литературу, сдать теоретический коллоквиум или выполнить тестовое задание по соответствующей теме. По результатам выполнения лабораторной работы студентом составляется предварительный отчет, который в конце занятия под- писывается преподавателем. Для заключительной защиты студент должен представить окончательный отчет, содержание которого конкретно указано в описании каждой лабораторной работы. Особое внимание следует уделить оценке полученных результатов, что должно быть отражено в выводах, а также ответам на контрольные вопросы.

6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1
ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ
ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ
1.1.
Цель работы: изучение схемы, принципа работы и основных пока- зателей резистивных усилителей звуковой частоты (УЗЧ) на транзисторах, ис- следование амплитудно-частотной характеристики УЗЧ при изменении пара- метров схемы.
1.2.
Краткие сведения из теории
УЗЧ предназначен для усиления сигналов в диапазоне звуковых частот от
20 Гц до 20 кГц.
Наиболее часто используются резистивные УЗЧ, собранные на транзи- сторах по схеме с общим эмиттером (рис. 1.1). В качестве нагрузки в цепь кол- лектора УЗЧ включается резистор R3. Смещение на базу для обеспечения за- данного режима работы устанавливается с помощью делителя R1, R2 от источ- ника питания Е
п
. В схеме используется температурная стабилизация рабочей точки. С этой целью в цепь эмиттера включен резистор R4. Сопротивление Z
вх представляет собой эквивалентное входное сопротивление следующего каска- да. Разделительные конденсаторы С1 и С3 не пропускают постоянную состав- ляющую тока в соответствующую цепь, С2 блокирует переменную составляю- щую тока эмиттера.
Рис. 1.1. Пример схемы резистивного УЗЧ
Рассмотрим основные показатели качества работы УЗЧ. Поскольку зада- чей УЗЧ является усиление амплитуды колебаний звуковой частоты, то глав-

7
ным показателем является коэффициент усиления по напряжению, равный от- ношению амплитуд выходного и входного напряжений вх вых
U
U
K
=
В общем случае коэффициент усиления К – величина комплексная, что объясняется наличием в схеме УЗЧ частотно-зависимых элементов.
( )
exp
= ×
j
&
К
К
j
.
Аргумент j определяет сдвиг по фазе выходного напряжения относи- тельно входного.
Процесс усиления сопровождается появлением линейных (частотных и фазовых) и нелинейных искажений. Искажения выходного сигнала, вызванные неодинаковым усилением отдельных гармонических составляющих спектра входного сигнала, называются частотными и оцениваются коэффициентами частотных искажений М
н и М
в
, на нижней и на верхней частотах усиливаемого диапазона соответственно н
ср н
К
К
М
=
,
в ср в
К
К
М
=
,
где К
ср
– коэффициент усиления в области средних частот, в которой он не за- висит от частоты, К
н
, К
в
– значения коэффициентов усиления на нижней и верхней частотах диапазона.
Для оценки частотных искажений используется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) УЗЧ (рис. 1.2), которая представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты при постоянной амплитуде входного сигна- ла U
вх
= const.
Рис. 1.2. Амплитудно-частотная характеристика УЗЧ
F
н
F
в
К
f
К
н
К
ср
К
в а
F
н
F
в
К
f
К
н
К
ср
К
в
а
б
ср
K
2
ср
K

8
Идеальный усилитель имеет постоянный коэффициент усиления на рабо- чем участке частот F
н
...F
в
(линия а на рис. 1.2). Реальные УЗЧ содержат реак- тивные элементы (в нашем случае – конденсаторы), которые обусловливают спад частотной характеристики в области нижних частот из-за увеличения со- противления разделительных конденсаторов С1 и С3, и в области верхних час- тот за счет уменьшения сопротивления емкостной составляющей входного со- противления Z
вх следующего каскада (кривая б на рис. 1.2). В этом случае рабо- чий диапазон частот определяется при спаде усиления в
2
= 1,42 раз.
Нелинейными искажениями сигнала называют изменения его формы, вы- званные наличием в усилителе нелинейных элементов (транзисторов, элек- тронных ламп и т. п.).
В отличие от частотных искажений нелинейные искажения приводят к появлению в спектре выходного сигнала новых частотных составляющих, ко- торых не было в спектре входного сигнала. Для оценки нелинейных искажений используется коэффициент гармоник
%
100 1
2
n
2 3
2 2
ã
×
+
+
=
U
U
U
U
Ê
K
Здесь U
1
, U
2
, ... U
n
– амплитуды соответствующих гармоник выходного сигнала при синусоидальном входном напряжении.
Усилительные свойства УЗЧ и нелинейные искажения позволяет оценить амплитудная характеристика – зависимость амплитуды выходного напряжения
U
вых от амплитуды входного напряжения U
вх при постоянной частоте входного сигнала (обычно средней частоте усиливаемого диапазона, рис. 1.2). В идеаль- ном УЗЧ амплитудная характеристика имеет вид прямой линии (линия а на рис. 1.З), тангенс угла наклона которой равен коэффициенту усиления К
(tg a = К). В реальном УЗЧ с ростом амплитуды входного сигнала начинает проявляться нелинейность вольтамперных характеристик транзисторов, и про- порциональная зависимость между U
вых и U
вх нарушается, и в амплитудной ха- рактеристике появляется изгиб (кривая б на рис. 1.3).
Рис. 1.3. Амплитудная характеристика УЗЧ
U
вых
U
вых max
U
вых min
U
вх min
U
вх max
U
вх
А
В
а
б
a

9
При малых амплитудах входного сигнала (U
вх
< U
вх min
) значительное влияние оказывают шумы усилителя, и полезный сигнал трудно выделить на их фоне. Таким образом, линейный рабочий участок АВ амплитудной характери- стики определяет динамический диапазон усиливаемых сигналов.
СХЕМА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Принципиальная схема исследуемого усилителя изображена на рис. 1.4, а на рис. 1.5 – функциональная схема установки для исследования влияния пара- метров схемы усилителя на его амплитудно-частотную характеристику.
Рис. 1.4. Принципиальная схема исследуемого УЗЧ
Рис. 1.5. Функциональная схема установки для изучения УЗЧ:
ГС – генератор сигналов, ОСЦ – осциллограф
1.3.
Порядок выполнения работы.
Соберите установки согласно рис. 1.4 и 1.5.
Включите тумблер «Сеть» базового блока.
Установите частоту генератора сигналов ГС 1000 Гц.
Установите рабочее смещение на базе VT1, соответствующее середине линейного участка ВАХ. С этой целью:
ГС
УЗЧ
Осц.

10
– подключите осциллограф к входу усилителя;
– установите на ГС амплитуду напряжения U
вх
» 0,5 В;
– подключите осциллограф к выходу усилителя;
– изменяя сопротивление переменного резистора R1, добейтесь симмет- ричного ограничения выходного напряжения U
вых
;
– подключите осциллограф к входу усилителя;
– установите на ГС амплитуду напряжения U
вх
» 0,05 В.
1.3.1.
Исследование влияния емкости разделительного конденсатора С2
на амплитудно-частотную характеристику УЗЧ.
К выходу усилителя подключите осциллограф или вольтметр.
Снимите амплитудно-частотную характеристику УЗЧ для емкостей кон- денсаторов С2 = 10 мкФ и С4 = 0 (без конденсатора). Результаты занесите в табл. 1.1.
Таблица 1.1
F, Гц
50 100 500 1000 5000 10000 50000 100000
U
вых
, В
К = U
вых
/U
вх lg F
Снимите амплитудно-частотную характеристику УЗЧ для емкостей кон- денсаторов С2 = 0,1 мкФ и С4 = 0. Результаты также занесите в табл. 1.1.
Определите полосу пропускания УЗЧ.
1.3.2.
Исследование влияния величины емкости нагрузки С4 на ампли- тудно-частотную характеристику УЗЧ.
Снимите амплитудно-частотную характеристику УЗЧ для емкостей кон- денсаторов С2 = 10 мкФ и С4 = 0,1 мкФ. Результаты также занесите в табл. 1.1.
Определите полосу пропускания УЗЧ.
1.4.
Выполнение лабораторной работы с использованием программы моделирования электронных устройств Multisim
1.4.1.
Соберите схему для изучения режима работы УЗЧ, изображен- ную на рис.1.6.
1.4.2.
Установите частоту колебаний генератора входного напряжения усилителя Gin – 1 кГц, амплитуду – 10 мВ, режим работы вольтметров на из- мерение постоянного напряжения (DC), сопротивление переменного резистора базового делителя R1 25 %. Запишите величины постоянных напряжений на выводах транзистора и зарисуйте форму входного и выходного напряжений с экрана осциллографа в подходящих масштабах. Определите коэффициент уси- ления усилителя как отношение амплитуд выходного и входного сигналов.

11
Рис. 1.6. Принципиальная схема для изучения режима работы УЗЧ
1.4.3.
Повторите измерения для сопротивления переменного резистора базового делителя 15 % и 100 %. Сделайте выводы о влиянии режима работы транзистора на форму и амплитуду выходного напряжения усилителя.
1.4.4.
Восстановите сопротивление переменного резистора 25 % , а ам- плитуду напряжения генератора увеличьте до 100 мВ. Повторите измерения.
Сделайте выводы.
1.4.5. Измените схему с целью изучения влияния на АЧХ усилителя ем- костей разделительных конденсаторов и нагрузки, как показано на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Принципиальная схема для изучения влияния емкости конденсаторов на амплитудно-частотную характеристику УЗЧ
1.4.6.
Установите амплитуду напряжения генератора Gin 10 мВ, режим работы вольтметров – на измерение переменного напряжения (AC), сопротив- ление переменного резистора – 25 %. Установите емкость конденсатора С2 = 0