Методичні вказівки щодо проведення лабораторної роботи «Вимірювання технічних показників підсилювального каскаду»

Новокаховський приладобудівний фаховий коледж

  Лабораторія № 607 

Дисципліна: "Навчальна практика з вимірювань в ТК- та РТ-системах"

МЕТОДИЧНІ   ВКАЗІВКИ  ЩОДО  ПРОВЕДЕННЯ  ЛАБОРАТОРНОЇ  РОБОТИ

«Вимірювання технічних показників підсилювального каскаду»

Мета роботи: вимірювання основних технічних показників підсилювача.

Короткі теоретичні відомості

Функцію підсилення сигналів реалізують підсилювачі. Підсилювачем називають пристрій, призначений для збільшення потужності вхідного сигналу. Принцип дії підсилювача ґрунтується на перетворенні енергії джерела живлення на енергію сигналу. Основним елементом підсилювача є підсилювальний елемент (ПЕ), який дає змогу керувати енергією джерела живлення при малих затратах енергії на вході підсилювача.

Основні технічні показники підсилювача:

-                     коефіцієнти підсилення;

-                     вхідний і вихідний опори;

-                     вихідна потужність;

-                     амплітудна, амплітудно-частотна і фазочастотна характеристики;

-                     рівень власних шумів підсилювача;

-                     коефіцієнт гармонік або коефіцієнт нелінійних спотворень.

Розрізняють коефіцієнти підсилення напруги, струму та потужності.

Коефіцієнт підсилення напруги в загальному випадку є комплексним через наявність у схемі підсилювача реактивних елементів:

                                     (1)

де  K_U – модуль коефіцієнта підсилення;                                                    

      - кут зсуву фаз між вихідною і вхідною напругою.

При дослідженні підсилювального пристрою використовують лише модуль коефіцієнта підсилення K_U :

K_U = U_вих/U_{вх .}                                                                                (2)

Коефіцієнт підсилення струму:

  .                                                     (3)

Коефіцієнт підсилення потужності: 

  або  K_P = 10·lgK_P    [дБ].                                 (4)

Вхідний опір – це опір між вхідними клемами підсилювача для змінного струму:

    .                                                     (5)

Вихідний опір підсилювача визначається співвідношенням:

  .                                                 (6)

де    I_кз – струм короткого замикання (R_н = 0);

U_хх – напруга холостої ходи (R_н = ∞).

Вхідний і вихідний опори є одними з основних електричних параметрів підсилювального каскаду. Вони, також як  і  коефіцієнт підсилення, істотно залежать від способу включення  підсилювального елемента (див. таблицю 1).

  Таблиця 1 - Порівняльні показники якості підсилювача

Амплітудна характеристика (АХ) підсилювача – це залежність амплітуди вихідної напруги від амплітуди вхідної напруги на деякій постійній частоті.

На рисунку 1 зображені ідеальна та реальна АХ. Ідеальна АХ проходить через початок координат. Реальна АХ починається з деякого значення U₀ , обумовленого рівнем власних шумів підсилювача. Власні шуми підсилювача заявляються внаслідок різних перешкод і наводок, а також несталості електричних процесів у часі.

При великих значеннях вхідної напруги U_вх  відхилення реальної АХ від ідеальної виникає через нелінійність ВАХ підсилювального елемента.

Рисунок 1 - Ідеальна (пунктир) та  реальна АХ підсилювача

Діапазон напруг від U_вх.min до U_вх.max є робочим діапазоном підсилювального сигналу. Мінімальне значення U_вх.min визначається необхідним мінімальним відношенням сигнал/шум. Максимальне значення вхідного сигналу U_вх.max визначають,  виходячи з припустимих спотворень вихідного сигналу (наприклад, К_н <5%).

На підставі амплітудної характеристики підсилювача   визначають параметри:

– чутливість підсилювача, яка визначає мінімальне значення вхідного сигналу, що перевищує рівень власних шумів підсилювача:

U_вх.min = U_вих.min/K_U ;                                                (7)

– динамічний діапазон D підсилювача - відношення максимального значення вихідного сигналу U_вих.max, за якого ще зберігається лінійна залежність між значеннями напругами U_вих і U_вх (або коефіцієнт нелінійних перекручувань сигналу К_н не перевищує 5%), до мінімального вихідного значення U_вих.min, обмеженого рівнем власних шумів підсилювача:

D = U_вих.max /U_вих.min    або     [дБ] .                          (8) 

Залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти К = ψ(f) називають амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ). На рисунку 2 зображено типову АЧХ підсилювача звукових частот (значення частот по осі абсцис відкладені в логарифмічному масштабі).

Причиною зниження коефіцієнта підсилення на низьких частотах є наявність розділяючих конденсаторів С₁, С₂  та конденсатора С₃ .

Причиною зниження коефіцієнта підсилення на високих частотах є:

- зниження коефіцієнта передачі транзистора за струмом β при ω > ω_в;

- наявність у схемі паразитних ємностей та індуктивностей.

Рисунок 2 – Типова АЧХ підсилювача

Граничні частоти підсилювача f_н.гр і f_в.гр визначаються на рівні  . На цих частотах коефіцієнт частотних спотворень дорівнює

М = 1,41 або  .                                (9)

Область частот, яка розташована нижче за частоту f_н.гр, називають областю нижніх частот, вище частоти f_в.гр – областю верхніх частот.

Смугою пропускання підсилювача називають область частот, в межах якої частотні спотворення не перевищують задані значення. Якщо задані значення М_{н  дБ} = 3 дБ і М_в дБ = 3 дБ, то смуга пропускання підсилювача визначається як різниця граничних частот:

Δf = f_{в гр} – f_{н гр}.                                                   (10)

Однією з причин зміни форми підсиленого сигналу є наявність у схемі підсилювача нелінійних елементів (активні елементи, дроселі). Нелінійні спотворення особливо сильно виявляються при великих рівнях вхідного сигналу.

У вихідному сигналі при нелінійних спотвореннях, крім коливань основної частоти (частоти вхідного сигналу), містяться складові вищих гармонік.

Рівень нелінійних спотворень у підсилювачі при підсиленні гармонійних сигналів прийнято оцінювати коефіцієнтом нелінійних спотворень.

Порядок проведення роботи

Зберіть у програмі Multisim схему, зображену на рисунку 3.

Підключіть вихід генератора  з синусоїдною напругою до підсилювача, встановивши ЕРС Е=10 мВ частотою f = 1000 Гц.

Рисунок 3 – Схема дослідження підсилювача із СЕ

Увімкніть джерело живлення схеми Е_к та проконтролюйте за допомогою осцилографа наявність напруги на  виході схеми (див. приклад на рисунку 4).

Рисунок 4 – Приклад осцилограми вихідної напруги підсилювача

Якщо сигнал спотворений, то необхідно зменшити напругу вхідного сигналу (при К_н ≈ 5%  відхилення від ідеальної форми вже помітні на око по осцилограмі).

Виміряйте  напруги  сигналу та струми на вході та на виході підсилювача при робочому навантаженні R_н .

Виміряйте напругу U_хх та струм І_кз сигналу на виході підсилювача у режимах холостої ходи та короткого замикання.

Результати вимірювань занесіть в таблицю 2.

Таблиця 2 – Результати вимірювань

Використовуючи формули (2)…(6), розрахуйте параметри підсилювача. Результати розрахунків занесіть в таблицю 3.

Таблиця 3 – Розрахунок параметрів підсилювача за вимірами

Примітка. Каскад підсилювача за схемою з СЕ повинен забезпечувати підсилення потужності не менш, чим на 20 дБ.

Для побудови АХ зніміть залежність вихідної напруги від вхідної напруги U_вих = f(Uвх) при частоті вхідного сигналу f =1000 Гц. При цьому необхідно відслідковувати, щоб коефіцієнт гармонійних перекручувань К_н  не перевищував 5%. Для цього за допомогою опції «Аналізатор спектру» меню «Simulate» програми Multisim для кожного вимірювання визначіть сумарний коефіцієнт гармонійних перекручувань THD   (Total Harmonіc Dіstortіon). Параметр THD характеризує появу у вихідному сигналі спектральних складових, що спотворюють його форму.

Результати вимірювань занесіть в таблицю 1.5.

Таблиця 4  - Результати вимірювань для побудови АХ

За даними таблиці 4 побудуйте в програмі Exсel графік залежності U_вих = f(Uвх). Приклад побудови амплітудної характеристики каскаду підсилення показаний на рисунку 5.

Рисунок 5 -  Приклад амплітудної характеристики каскаду підсилення

Виконайте в програмі Exсel математичну апроксимацію амплітудної характеристики за допомогою лінії тренду (див. рисунок 5). Лінія тренду буде виражена лінійною залежністю (рівнянням АХ) у вигляді

y = k·x+b.                                                      (11)

В рівнянні амплітудної характеристики (11) коефіцієнт k відповідає коефіцієнту підсилення напруги K_U, а вільний член b відповідає напрузі посилених власних шумів підсилювача U₀ =U_вих.min.

По рівнянню АХ (11) визначіть коефіцієнт посилення по напрузі K_U  і  рівень посилених власних шумів підсилювача U₀ =U_вих.min .

По формулі (7) знайдіть величину чутливості підсилювача U₀ =U_вх.min .

По формулі (8) підрахуйте величину динамічного діапазону підсилювача D.

Результати розрахунків занесіть в таблицю 5.

Таблиця 5 – Розрахунок параметрів підсилювача по АХ

За допомогою характеріографа (плотера) зніміть  АЧХ підсилювача . Установіть значення виміру вихідної напруги в логарифмічному масштабі. Приклад побудови АЧХ показаний на рисунку 6.

Рисунок 6 -  Приклад побудови АЧХ підсилювача за допомогою характеріографа

За допомогою курсору виміряйте значення коефіцієнту підсилення K_Uсер (в дБ) на середніх частотах (на ділянці АЧХ, де не спостерігаються нелінійні перекручування вихідного сигналу).

Результат виміру K_Uсер  занесіть у таблицю 6.

Таблиця 6 - Розрахунок параметрів підсилювача по АЧХ

Використовуючи опцію «AC analysys» меню «Simulate» програми Multisim визначіть за допомогою курсорів значення  граничних частот підсилювача  f_н.гр та f_в.гр при коефіцієнті частотних спотворень М_дБ = 3 дБ  (див. приклад на рисунку 7).

Результат виміру занесіть у таблицю 6.

Рисунок 7 –  Приклад визначення граничних частот підсилювача

Зміст звіту з лабораторної роботи

1. Назва і мета роботи.
2. Схема дослідження підсилювача в програмі Multisim.
3. Осцилограма вихідної напруги підсилювача.
4. Амплітудна характеристика каскаду підсилення
5. АЧХ підсилювача з характеріографа.
6. Визначення граничних частоти підсилювача по АЧХ.
7. Таблиці вимірів та обчислень. Формули розрахунків.
8. Короткі висновки за результатами виконання роботи.
9. Коротка відповідь на контрольне запитання

Контрольне питання

1. Чим зумовлені зниження АЧХ на ВЧ і НЧ?

Література

1.                Гуржій А.М.,  Поворознюк Н.І. Електричні і радіотехнічні  вимірювання / А.М. Гуржій,  Н.І. Поворознюк. – Київ: Навчальна  книга,  2002.
2.               Муратов В.Г. Метрологія, технологічні вимірювання та прилади  навчальний посібник. - вид. 2-е, доп. / В.Г Муратов. - К.: Освіта України, 2016 - (Рек. МОН України).