Исследование генератора гармонических и прямоугольных колебаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Тема: Исследование генератора гармонических и прямоугольных колебаний

радиоэлектронный генератор компьютерный импульс

1. Исследование генератора гармонических колебаний

Цель работы: Изучить устройство и работу генератора гармонических колебаний.

Приобрести навыки компьютерного моделирования радиоэлектронных устройств с помощью программы Electronics Workbench и навыки проведения натурного эксперимента и работы с радиоизмерительными приборами.

Приборы и материалы: макет генератора гармонических колебаний, осциллограф, электронносчётный частотомер, измеритель нелинейных искажений.

Краткая теория.

Данная схема генератора гармонических колебаний представляет собой генератор с двумя обратными связями. Одна обратная связьположительная, частотнозависимаяпостроена на элементахR1, R4, R6, C1, C2, а другаяна элементах R1, R2, R5. Резистор R1 является общим для обеих цепей обратной связи. Влияние элементов положительной обратной связи на частоту выходного сигнала определяет выражение

Диоды VD1 и VD2 представляют собой ограничитель амплитуды сигнала в цепи обратной связи, иначе выходной сигнал имел бы форму трапеции. Переменный резистор R1 позволяет регулировать частоту генерации в некоторых пределах. Так выглядит принципиальная электрическая схема данного генератора.

В заключении описания следует отметить такую особенность схемы данного генератора. Как необходимость тщательного подбора экспериментальным путём ёмкости конденсатора С1. Эмпирически было установлено, что генератор даёт более или менее гармонический сигнал только при ёмкости данного конденсатора, равной 1000 пФ.

Рис. 1

Рис. 2 Генератор в рабочем окне программы Electronics Workbench v.5.12.

В противном случае форма сигнала искажается. При меньшей ёмкости получаются остроконечные пики дифференцированных импульсов. При большейидёт интегрирование видимо импульсов трапециевидной формы.

Рис. 3 Вид осциллограммы в полный экран.

Порядок выполнения работы.

Сначала выполняется компьютерное моделирование, а затем - натурный эксперимент. Включите компьютер, загрузите программу EWB, откройте файл «генератор гармонических колебаний.ewb».

Запустить процесс симуляции щелчком левой кнопки мышки по выключателю, расположенному в верхнем правом углу экрана. Активируйте осциллограф, щелкнув левой кнопкой мышки по его значку в схеме и выбрав в появившемся меню пункт «Open» (открыть). У осциллографа настройте вертикальное отклонение луча, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигнал на выходе схемы.

Рис. 4 Генератор гармонических колебаний.ewb.

Рис. 5

Развернём осциллограмму во весь экран. Для этого надо нажать кнопку «Expand» (расширить). Следует обратить внимание на форму синусоиды: не искажена ли она.

Измените сопротивление резистора R1, для чего щелчком правой кнопки мышки по резистору надо вызвать контекстное меню и выбрать в нём пункт «Component properties» (свойства компонентов).

В строке «Setting» (установка) мышкой поменять число (%). По умолчанию устанавливается 50%.

Рис. 6

В программе EWB через меню «Analysis» откройте окно спектрального анализа «Fourier» и оцените спектральную чистоту генерируемого сигнала. Чтобы получить репрезентативные результаты, нужно выбрать для анализа 6-ю точку схемы, в строке «Output node» (выходной узел) и ширину анализируемых полос 5кГц в строке «Sampling frequency» в окне задания параметров Фурье-анализа.

Очень интересно исследовать начальный момент возникновение колебаний в момент запуска генератора. Это можно сделать в окне анализа переходных процессов «Transient». Запустите его через меню «Analysis».

Рис. 7

Рис. 8

Схему генератора гармонических колебаний, осциллограмму и спектрограмму сохраните для отчёта.

Далее переходим к натурному эксперименту. Надо подключить макет генератора гармонических колебаний к блоку питания. К выходу генератора гармонических колебаний одновременно подключить через тройник осциллограф и электронносчётный частотомер. У осциллографа настройте вертикальное отклонение луча, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигнал, а частотомер настройте на измерение частоты. Вращая движок переменного резистора R1, пронаблюдайте за изменением частоты. Затем присоедините к выходу генератора гармонических колебаний измеритель нелинейных искажений и оцените спектральную чистоту генерируемого сигнала.

Рис. 9

2. Исследование генератора прямоугольных импульсов

Цель работы: Изучить устройство и работу генератора прямоугольных импульсов.

Приобрести навыки компьютерного моделирования радиоэлектронных устройств с помощью программы ElectronicsWorkbench и навыки проведения натурного эксперимента и работы с радиоизмерительными приборами. С помощью натурного эксперимента подтвердить репрезентативность компьютерного моделирования.

Приборы и материалы: Компьютер и макет генератора гармонических колебаний, осциллограф, электронносчётный частотомер.

Краткая теория.

Принцип работы генератора прямоугольных импульсов основан на перезарядке конденсатора С1 между двумя уровнями напряжения, определяемыми делителем R1 и R3. Как только уровень напряжения на выходе схемы достигнет максимального значения, конденсатор С1 заряжается. По мере заряда конденсатора уровень напряжения на резисторе R2 уменьшается и как только достигнет положительного критического уровня (напряжение на инвертирующем входе), напряжение на выходе практически мгновенно уменьшается до минимального значения. Начинается перезарядка конденсатора С1. Уровень напряжения на резисторе R2 продолжает уменьшаться и при достижении им величины отрицательного критическго уровня (напряжение на неинвертирующем входе после переключения), напряжение на выходе схемы вновь достигает максимума. Частоту генерируемых колебаний можно определить с помощью выражения

Рис. 10

В таблице приведены величины номиналов частотозадающих элементов, обеспечивающих частоту генерируемых колебаний в диапазоне от 0,5 Гц до 5 кГц.

Таблица 1

Вот принципиальная электрическая схема этого генератора.

А так генератор прямоугольных импульсов выглядит в рабочем окне программы Electronics Workbench v.5.12.

Рис. 11

Рис. 12

Осциллограмма генерируемого сигнала, развёрнутая в полный экран, выглядит следующим образом.

Порядок выполнения работы.

Сначала выполняется компьютерное моделирование, а затем - натурный эксперимент. Включите компьютер, загрузите программу EWB, откройте файл «генератор прямоугольных импульсов.ewb».

Запустить процесс симуляции щелчком левой кнопки мышки по выключателю, расположенному в верхнем правом углу экрана. Активируйте осциллограф, щелкнув левой кнопкой мышки по его значку в схеме и выбрав в появившемся меню пункт «Open» (открыть). У осциллографа настройте вертикальное отклонение луча, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигнал на выходе схемы.

Развернув осциллограмму в полный экран, по клеткам сетки посчитайте скважность импульсов Q=T/ф и коэффициент заполнения K3=1/Q=ф/T, где Т - период повторения импульсов, ф - длительность импульса.

Исследуйте процесс установления колебательного режима в генераторе прямоугольных импульсов в окне анализа переходных процессов «Transient» из меню «Analysis», предварительно выбрав временной интервал анализа 0,005 секунды в строке «End time» и 3-ю точку схемы генератора в строке «Nodes for analysis» (узлы для анализа) на панели настройки параметров анализа.

Рис. 13

Исследуйте гармонический спектр прямоугольного импульса в окне гармонического анализа из меню «Analysis» > «Fourier»,подключив анализатор спектра к 3-му узлу схемы.

Рис. 14

Рис. 15

Далее переходим к натурному эксперименту. Надо подключить макет генератора гармонических колебаний к блоку питания. К выходу генератора гармонических колебаний одновременно подключить через тройник осциллограф и электронносчётный частотомер.

Рис. 16

У осциллографа настройте вертикальное отклонение луча, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигнал, а частотомер настройте сначала на измерение частоты. Определите частоту следования импульсов. Затем переключите частотомер в режим измерения временных интервалов. Высчитайте скважность импульсов и коэффициент заполнения по клеткам на экране осциллографа и на основе измерений временных интервалов частотомером. Сравните эти результаты между собой и с результатами компьютерного моделирования.

Литература

1. Достал Иржи. Операционные усилители: пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 512 с., ил.

2. Кар Дж. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры: Пер. с англ. - 2-е изд. стереотип, - М.: Мир, 1986. - 387 с., ил.

3. Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 260 с., ил.

4. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM РС. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон - Р, 2001 - 726 с., ил.

5. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов/Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 768 с.,

6. Примерная программа дисциплины «Основы схемотехники».

7. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов по спец. электрон. техники Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев, В.А. Терехов и др. - М.: Высшая школа, 1987. - 335 с., ил.

Размещено на Allbest.ru