Моделирование и исследование автогенераторов радиопередающих устройств
Время– 4 учебных часа.
Целевая установка лабораторной работы:
В ходе лабораторной работы студенты должны овладеть следующими умениями и навыками:
- осуществлять схемотехническое проектирование (моделирование) на базе стандартных пакетов моделирования узлов и каскадов радиопередающих устройств, включая расчет элементов принципиальных схем и технических показателей (ПК-17);
- проводить эксперимент по проверки работоспособности и испытанию вводимых в эксплуатацию радиопередающих устройств на базе создаваемых схемотехнических моделей (ПК-2);
- проводить эксперимент по измерению основных параметров радиопередатчиков, настройки, регулировки и проверки их работоспособности на базе создаваемых схемотехнических моделей (ПК-3);
- осуществлять поиск и устранение неисправностей в радиопередающих устройствах на базе создаваемых схемотехнических моделей (ПК-30).
Учебно-материальное обеспечение:
1) Электронные лаборатории на IBM PC, из расчета 1 компьютер на 1 – 2 человека, оснащенные программами:
- Electronics Workbench 5.12 для моделирования электрических схем;
- RFSim99 для моделирования и анализа радиотехнических цепей;
- Mathcad Professional 15.0 для автоматизации математических расчетов;
2) Методическая разработка к лабораторной работе по дисциплине Радиоприемные устройства: [Электронный ресурс].
Структура лабораторной работы:
Занятие №1
90 мин
Вводная часть
10 мин
Вступительная часть
2 мин
Проверка готовности студентов к лабораторной работе
8 мин
Вопросы (задачи), подлежащие исследованию:
75 мин
1. с
Моделирование и исследование процесса генерации ВЧ колебаний на биполярных транзисторах.
75 мин
Заключительная часть
5 мин
Подведение итогов
3 мин
Задание студентам для самостоятельной работы
2 мин
Занятие №2
90 мин
Вводная часть
10 мин
Вступительная часть
2 мин
Проверка готовности студентов к лабораторной работе
8 мин
Вопросы (задачи), подлежащие исследованию:
55 мин
2.
Моделирование и исследование транзисторного автогенератора в виде емкостной трехточки
55 мин
Заключительная часть
25 мин
Защита отчетов по лабораторной работе
20 мин
Подведение итогов
3 мин
Задание студентам для самостоятельной работы
2 мин
Содержание Лабораторной работы
Вводная часть
В рамках данной лабораторной работы студенты-бакалавры осуществляют подготовку к решению следующих профессиональных задач:
а) в области расчетно-проектной деятельности: расчет и проектирование автогенераторов для радиопередающих устройств в соответствии с техническим заданием с использованием стандартных средств автоматизации проектирования;
б) в области экспериментально-исследовательской деятельности: проведение экспериментов по заданной методике и анализ результатов; проведение измерений и наблюдений, составление описания проводимых исследований, математическое моделирование процесса автогенерации ВЧ колебаний на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований; составление отчета по выполненному заданию.
а) в области производственно-технологической деятельности путем освоение принципов построения и работы автогенераторов, порядка проверки их работоспособности и испытаний при вводе в эксплуатацию;
б) в области экспериментально-исследовательской деятельности путем схемотехнического моделирования автогенератора на базе стандартного пакета автоматизированного проектирования и исследований; проведения экспериментов по заданной методике, анализа полученных результатов, составления отчета по выполненным заданиям;
в) в области сервисно-эксплуатационной деятельности путем освоения методик измерений основных параметров автогенератора, получения практики поиска и устранения неисправностей в них на базе создаваемых математических моделей.
Проверка подготовленности обучаемых к лабораторной работе, а именно: знание ими теоретического материала, представленного в лекции по данной теме и в методической разработке к лабораторной работе, проводится путем компьютерного тестирования в программе «Iren» .
вопросы, ПОДЛЕЖАЩИЕ исследованию
Моделирование и исследование процесса генерации ВЧ колебаний на биполярных транзисторах
Краткие теоретические или справочно-информационные материалы
Основное назначение генератора состоит в преобразовании энергии источника постоянного тока в энергию ВЧ или СВЧ колебаний. Генераторы подразделяются на два основных типа (см. рис. 1):
- автогенераторы (АГ), работающие в режиме самовозбуждения или автоколебаний, частота которых определяется параметрами самого устройства;
- генераторы с внешним возбуждением (ГВВ), работающие в режиме усиления входного сигнала по мощности или умножения его частоты.
Рис. 1 – Два основных типа генераторов ВЧ или СВЧ колебаний
В обоих типах генераторов используется один и тот же общий физический принцип их работы: взаимодействие потока движущихся носителей заряда с электромагнитным полем. Различие состоит в разном характере этого взаимодействия и в способах управления потоком носителей заряда. В ГВВ управление потоком носителей заряда осуществляемся входным сигналом, поступающим из возбудителя, а в АГ управление обеспечивается за счет наличия положительной обратной связи.
В настоящее время основным электронным прибором для генерации ВЧ колебаний является полупроводниковый транзистор. Рассмотрим принципы генерации колебаний на примере транзисторного ГВВ, при гармонических напряжениях на входном и выходном зажимах (см. рис. 1).
Рис. 2 – Схема транзисторного генератора с внешним возбуждением
При этом будем полагать, что транзистор является безынерционным, т.е. характеризующимся тем, что время изменения входного сигнала значительно превышает время установления процесса внутри самого нелинейного элемента, т.е. колебание на выходе транзистора не подвергается нелинейным искажениям. Для выполнения этого условия достаточно, чтобы f < (0,1...0,3) f г , где f г – граничная частота транзистора по крутизне.
Представим напряжение на базе и коллекторе транзистора в следующем виде:
,
, (1)
где Eb – напряжение смещения, подаваемое на базу транзистора для установления требуемого режима по постоянному току; Ub – представляет собой амплитуду напряжения возбуждения, подаваемого на базу транзистора от внешнего источника в ГВВ или из колебательного контура АГ за счет внешней положительной обратной связи; Ek – постоянное напряжение на коллекторе транзистора, Uk – амплитуда ВЧ колебаний на коллекторе.
С учетом того, что коллекторный ток определяется по переходной характеристике транзистор, как
, (2)
получаем
, (3)
где S – характеристика, называемая крутизной транзистора, имеющая размерность проводимости [мА/В], - напряжение запирания транзистора, подаваемое на базу за счет обратной связи.
Графически эти соотношения изображены на рис. 3.
Рис. 3.
Из выражений (1) – (3) и графиков на рис. 3 следует, что выходной ток активного элемента (транзистора) представляет собой последовательность косинусоидальных импульсов. Это означает, что в общем виде ток электронного прибора генераторе может существенно отличаться от синусоидального вида и представлять собой периодическое колебание, состоящее из косинусоидальных или иной более сложной формы импульсов.
Из рис. 3 видно, что ток принимает максимальное значение при , где n = 0, 1, 2 и т.д.
, (4)
Половину фазового угла, соответствующего времени протекания тока, называют углом отсечки θ. Приравняв выражение (3) нулю, найдём соотношение для расчета угла отсечки выходного тока θ:
. (5)
В результате преобразований получим формулу:
. (6)
Для того, чтобы учесть влияние коллекторного напряжения на форму коллекторного тока, в ведем выражение
, (7)
где S гр – граничная крутизна транзистора.
Соотношения (3) и (7) представлены в виде графиков на рис. 4. Следует отметить, что максимумы iК по соотношению (3) соответствуют минимумам еК по соотношению (7). Эти условия выполняются при резонансной нагрузке.
Итак, режим генератора зависит от амплитуды UК:
а) – амплитуда UК мала (RК– мало), iК определяется по формуле (3), такой режим генератора называется недонапряженным;
б) – амплитуда UК = UКГР, такой режим называется граничным, вершина импульса коллекторного тока при этом уплощена;
в) – амплитуда UК > UКГР (рис. 4), в импульсе коллекторного тока образуется провал. Такой режим называется перенапряженным.
В недонапряженном режиме, то есть при eКМИН > eКМИНГР, коллекторный ток представляет собой периодическую последовательность косинусоидальных импульсов. В граничном режиме выполняется условие (7), импульс коллекторного тока имеет плоскую вершину. В перенапряженном режиме, когда eКМИН < eКМИНГР, в импульсе коллекторного тока появляется провал, глубина которого зависит от степени напряженности режима.
Рис. 4
В недонапряженном режиме ГВВ токи в коллекторной, анодной, сеточной цепи представляют собой периодическую последовательность косинусоидальных импульсов, которую можно представить в виде ряда Фурье. Например, коллекторный ток можно записать так:
iК (ωt) =IК0+IК1сosωt +IК2сos2ωt + ...
Используя соотношение (7), определим значения постоянной составляющей, амплитуды первой и n-й гармоник тока IК0, IК1, IКn, ...
, (8)
, (9)
где
. (10)
Коэффициенты γ n (θ) показывают, как изменяются амплитуды гармоник коллекторного тока при изменении смещения, если амплитуда возбуждения U b постоянна.
Если выразить из выражения (4) получить и подставить его в уравнение (9), то получим еще одно соотношение для определения составляющих коллекторного тока:
, (11)
, (12)
где a n– коэффициенты Берга, с помощью которых можно определить амплитуду гармоник тока по известной величине импульса тока IМАКС и углу отсечки θ.
Графики, показывающие характер зависимостей коэффициентов γ0(θ) и γ1(θ), приведены на рис. 5, а. Связь коэффициентов α0 и α1 с углом отсечки косинусоидального импульса θ иллюстрируется на рис. 5, б.
а) б)
Рис. 5
В генераторах осуществляется преобразование энергии источника питания Р0 в колебательную мощность Р1 . Эффективность этого процесса характеризуется коэффициентом полезного действия η = Р 1 / Р 0.
Мощность, потребляемая генератором от источника питания, определяется произведением постоянной составляющей коллекторного тока и ЭДС источника питания, т.е.
. (13)
Колебательная мощность в нагрузке усилителя RK равна:
, (14)
где IК1 – амплитуда первой гармоники коллекторного тока, UК– амплитуда напряжения на коллекторе.
Мощность, выделяемая в сопротивлении нагрузки от протекания постоянной составляющей тока равна
. (15)
Мощность, выделяемая на коллекторе (тепловые потери в транзисторе) определяется выражением:
Р S =P0 –P1 – P R. (16)
Тогда коэффициент полезного действия:
, (17)
где ξ = UК/ЕП – коэффициент использования напряжения источника питания.
Пример: пусть ЕП = 5 В, IК0 = 2 мА, I1 = 1,8 мА, RК= 1000 Ом. Из соотношений, приведенных выше, получаем: Р 0 = 10 мВт, Р1 = 1,62 мВт, РR= 4 мВт, РS = 4,38 мВт. Режим преобразования энергии в таком усилителе очень неэффективен, прежде всего, вследствие большой потери мощности РR в сопротивлении нагрузки.
Повышение КПД возможно при использовании режима с отсечкой тока коллектора. При этом увеличивается соотношение между IК1 и IК0, то есть так называемый коэффициент формы импульса тока g1(θ). Временные диаграммы тока коллектора для этого варианта режима изображены на рис. 6, где θ – половина ширины импульса тока коллектора в угловом измерении.
Рис. 6
Разложим периодическую последовательность импульсов в ряд Фурье:
iК (ωt) =IК0+IК1сosωt +IК2сos2ωt + ...
Величина токов IК0, IК1, IК2, ... зависит от высоты импульса и угла отсечки θ. Разумеется, в режиме с отсечкой коллекторного тока при использовании резистивной или комбинированной нагрузки напряжение на коллекторе будет повторять форму коллекторного тока, только в инвертированном виде. Для генерации гармонического напряжения нагрузка усилителя должна быть избирательной.
Для тока IК1 сопротивление нагрузки должно быть равным расчетному, а для постоянной составляющей IК0 и токов высших гармоник – близким к короткому замыканию. Роль такой нагрузки может играть параллельный колебательный контур.
Если принять угол осечки равным 90°, то амплитуда тока первой гармоники равна половине высоты импульса коллекторного тока, а отношение IК1/IК0= 1,57. При одинаковом максимальном значении коллекторного тока в режиме с осечкой и без отсечки в нагрузке выделяется равная колебательная мощность, но КПД усилителя возрастает минимум в 1.57 раза.
Содержание практической работы в ходе занятия
Описание лабораторного оборудования:
Электронные лаборатории на IBM PC, оснащенные программами:
- Electronics Workbench 5.12 для моделирования электрических схем;
- Mathcad Professional 15.0 для автоматизации математических расчетов/
Требования безопасности при выполнении работы:
1) К проведению лабораторных работ допускаются студенты, прошедшие требуемые инструктажи по охране труда.
2) Включение лабораторных установок (компьютеров) осуществляется только с разрешения преподавателя.
3) При проведении лабораторной работы не допускается использование приборов, оборудования, не предусмотренного планом проведения занятия.
4) Не разрешается при включенном оборудовании переключать кабели питания, соединительные кабели блоков и компонентов лабораторных установок (компьютеров).
5) При возникновении аварийных ситуаций необходимо немедленно отключить оборудование от питающей сети, сообщить об этом преподавателю и действовать по его указанию.
6) При возгорании оборудования его необходимо немедленно обесточить, сообщить об этом преподавателю, принять меры по устранению возгорания и действовать по указанию преподавателя.
7) По окончанию работы с лабораторным оборудованием (компьютерами) его необходимо выключить установленным порядком.
Исходные данные для моделирования и исследования
Варианты заданий для моделирования и исследований представлены в таблице 1.
Задание для работы по первому учебному вопросу:
1.1) Смоделировать процесс генерации ВЧ колебаний на биполярных транзисторах в программе Mathcad Professional.
1.2) Провести исследование процесса генерации ВЧ колебаний на биполярных транзисторах в программе Mathcad Professional.
Порядок выполнения работы
Задание 1.1.Смоделировать процесс генерации ВЧ колебаний на биполярных транзисторах в программе Mathcad Professional.
Порядок моделирования:
Запустить программный макет Mathcad Professional и последовательно занести необходимые для расчета формулы.
1) Общими исходными данными для моделирования являются следующие параметры:
- Ub 0 = 0.75 – напряжение отсечки на базе транзистора при кусочно-линейной аппроксимации его ВАХ;
- Eb = 0.9 В – напряжение смещения, подаваемое на базу транзистора для установления требуемого режима по постоянному току;
- Ub = 0.7 В – амплитуда напряжения возбуждения, подаваемого на базу транзистора от внешнего источника в ГВВ или из колебательного контура АГ за счет внешней положительной обратной связи;
- Uk = 2 В – амплитуда ВЧ колебаний на коллекторе.
- f = 500 кГц – частота колебаний;
- E р = 5 В – напряжение источника питания;
- Esb = 0.15 В – напряжение запирания транзистора, подаваемое на базу за счет обратной связи;
- S = 0.03 А/В – крутизна переходной характеристики транзистора.
2) Расчет циклической частоты, периода колебаний и временного шага:
, и .
3) Ввести циклы изменения напряжения и времени:
и .
4) Расчет напряжение на базе транзистора:
.
5) Определение текущей фазы колебания .
6) Расчет зависимости крутизны транзистора от управляющего напряжения на базе путем кусочно-линейной аппроксимации:
.
7) Расчет первой гармоники коллекторного тока по переходной характеристике транзистора:
.
8) Построение графических зависимостей крутизны транзистора S(u) от управляющего напряжения u, напряжение на базе транзистора от времени eb(t) от времени t и первой гармоники коллекторного тока ik1(t) от фазы колебаний f(t).
Для более удобного наглядного восприятия процесса генерации колебаний следует взаимно поместить графики, как указано на рис. 7.
Рис. 7 – Зависимости крутизны транзистора от управляющего напряжения S(u), напряжение на базе транзистора от времени eb(t) и первой гармоники коллекторного тока от времени ik1(t)
9) Определение косинуса угла отсечки
,
тогда угол в радианах и градусах равенотсюда
и .
10) Расчет амплитуды косинусоидального импульса .
11) Расчет коэффициентов γ n (θ), показывающих изменение амплитуд постоянной составляющей и первой гармоники коллекторного тока при изменении смещения, если амплитуда возбуждения U b постоянна:
и .
12) Определение значения постоянной составляющей коллекторного тока: .
13) Расчет коэффициентов Берга для постоянной составляющей и первой гармоники
и .
14) Расчет значения первой гармоники коллекторного тока: .
15) Расчет коэффициента формы импульса тока: .
16) Определение колебательной мощности в нагрузке .
17) Расчет коэффициента использования напряжения источника питания .
18) Расчет коэффициента полезного действия:
.
19) Представить в отчете по лабораторной работе листинг набранной программы в Mathcad с результатами вычислений.
Задание 1.2.Провести исследование процесса генерации ВЧ колебаний на биполярных транзисторах в программе Mathcad Professional.
Порядок исследования:
1) Внести изменения в исходные данные, установив значения индивидуальных параметров согласно своему варианту.
Таблица 1 – Варианты заданий для моделирования и исследований.
№ варианта
f , кГц
Ubo , В
Eb , В
S , А/В
Uk , В
1
500
0.25
0.3
0.03
2.0
2
550
0.75
0.8
0.035
2.2
3
600
0.25
0.35
0.04
2.3
4
450
0.75
0.85
0.045
2.25
5
400
0.25
0.4
0.025
2.4
6
500
0.75
0.9
0.03
2.05
7
550
0.25
0.5
0.035
2.1
8
600
0.75
0.95
0.04
2.15
9
450
0.25
0.45
0.045
2.35
10
400
0.75
1.0
0.025
2.45
11
500
0.25
0.9
0.03
2.05
12
550
0.75
0.5
0.035
2.1
13
600
0.25
0.95
0.04
2.15
14
450
0.75
0.45
0.045
2.35
15
400
0.25
1.0
0.025
2.45
16
500
0.75
0.3
0.03
2.0
17
550
0.25
0.8
0.035
2.2
18
600
0.75
0.35
0.04
2.3
19
450
0.25
0.85
0.045
2.25
20
400
0.75
0.4
0.025
2.4
2) Настроить взаимное расположение изменившихся графических зависимостей S(u), eb(t) и ik1(t), как показано на рис. 7.
3) Провести исследование зависимости выходных параметров автогенератора от угла отсечки. Для этого выполнить следующие операции:
- подбирая значение напряжение запирания Esb транзистора, подаваемое на базу за счет обратной связи, добиться получения импульсов косинусоидального коллекторного тока с углом отсечки, равным 50 градусов;
- рассчитать и занести в таблицу 2 значения следующих выходных параметров генератора: постоянную составляющую I k 0 и первую гармонику Ik 1коллекторного тока, коэффициент формы g 1, колебательную мощность в нагрузке по первой гармонике P 1 и КПД генератора h;
- повторить выше приведенные действия для всех остальных значений углов отсечки, указанных в таблице 2;
- занести в отчет по лабораторной работе графики зависимостей коллекторного тока от текущей фазы при следующих значениях углов отсечки: 50, 90, 120 и 180 градусов.
- сделать выводы по результатам проведенных исследований.
Таблица 2 – Результаты исследований.
q , град
Ik0, мА
Ik1, мА
g1
P1, мВт
h , %
50
60
70
80
90
100
120
140
160
180
Задание 1.3. Оформить результаты исследований по первому учебному вопросу в виде отчета по лабораторной работе и подготовиться к его защите.
Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас...
2019-07-03
254
Обсуждений (0)
,
, (1)
, (2)
, (3)
- напряжение запирания транзистора, подаваемое на базу за счет обратной связи.
, где n = 0, 1, 2 и т.д.
, (4)
. (5)
. (6)
, (7)
, (8)
, (9)
. (10)
и подставить его в уравнение (9), то получим еще одно соотношение для определения составляющих коллекторного тока:
, (11)
, (12)
. (13)
, (14)
. (15)
, (17)
, 
и 
.
и 
.
.
.
.
.
,
и 
.
.
и 
.
.
и 
.
.
.
.
.
.