568_Arkhipov_s._N._Skhemotekhnika_telekommunikatsionnykh_ustrojstv_
.pdfФедеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)
С.Н. Архипов
СХЕМОТЕХНИКА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ
Учебно-методическое пособие
Новосибирск
2015
УДК 621.385 (078)
Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»
Рецензент канд. техн. наук А.С. Чухров
Архипов С.Н. Схемотехника телекоммуникационных устройств : Учебнометодическое пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; каф. радиотехнических устройств. – Новосибирск, 2015.
– 102 с.
Учебно-методическое пособие содержит учебный материал и рекомендации по выполнению цикла лабораторных работ по курсу «Схемотехника телекоммуникационных устройств» с применением лабораторных макетов и компьютерного моделирования. В нем приводятся задания для выполнения предварительного расчета, вопросы для самопроверки, а также необходимый справочный материал по методикам измерений, расчету параметров, работе с измерительными приборами и программами компьютерного моделирования.
Пособие предназначено для студентов дневного, заочного и ускоренного обучения по направлению 11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи.
©Архипов С.Н., 2015
©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2015
2
|
Оглавление |
|
|
|
|
Введение................................................................................................................... |
|
|
|
|
4 |
Краткие правила по технике безопасности при проведении лабораторных ра- |
|||||
бот............................................................................................................................. |
|
|
|
|
7 |
Правила проведения занятий в лаборатории.......................................................... |
|
|
7 |
||
Лабораторная работа № 1. Измерение основных параметров и характеристик |
|||||
усилителя на интегральной микросхеме................................................................. |
|
|
|
9 |
|
Лабораторная |
работа № 2. Изучение влияния обратной |
связи на свойства |
|||
усилителя на интегральной микросхеме............................................................... |
|
|
|
14 |
|
Лабораторная работа № 3. Питание цепей и стабилизация режима биполяр- |
|||||
ного транзистора.................................................................................................................... |
|
|
|
19 |
|
Лабораторная |
работа № 4. Исследование |
резисторного |
каскада предвари- |
||
тельного усиления на биполярном транзисторe................................................... |
|
|
23 |
||
Лабораторная |
работа № 5. Исследование |
трансформаторного |
каскада |
на |
|
транзисторе............................................................................................................. |
|
|
|
|
35 |
Лабораторная работа № 6. Исследование транзисторного усилителя мощно- |
|||||
сти с бестрансформаторным двухтактным выходом........................................... |
|
|
39 |
||
Лабораторная |
работа № 7. Исследование |
резисторного |
каскада |
широкопо- |
|
лосного усилителя на полевом транзисторе |
......................................................... |
|
|
45 |
|
Лабораторная работа № 8. Исследование интегратора и дифференциатора на |
|||||
основе операционного усилителя ......................................................................... |
|
|
|
51 |
|
Приложения............................................................................................................ |
|
|
|
|
57 |
П.1. Технические данные измерительной аппаратуры и инструкции к ее при- |
|||||
менению.................................................................................................................. |
|
|
|
|
57 |
П.2. Основы испытания усилителей ..................................................................... |
|
|
|
61 |
|
П.3. Определение параметров усилителя по экспериментальным данным........ |
65 |
||||
П.4. Описание интегральной микросхемы К140УД1Б ........................................ |
|
|
67 |
||
П.5. Построение выходных динамических характеристик.................................. |
|
|
69 |
||
П.6. Схемы питания и стабилизации режима транзистора.................................. |
|
|
72 |
||
П.7. Построение временных диаграмм токов и напряжений для каскада на |
|||||
транзисторе............................................................................................................. |
|
|
|
|
78 |
П.8. Расчет трансформаторного каскада............................................................... |
|
|
|
81 |
|
П.9. Графоаналитический расчет усилителя в режиме «В» |
................................ |
|
85 |
||
П.10. Особенности применения программы компьютерного моделирования |
|||||
Electronics Workbench............................................................................................ |
|
|
|
88 |
|
Список рекомендуемой литературы ................................................................... |
|
|
|
100 |
3
Введение
Подготовка специалистов в области схемотехники телекоммуникационных устройств предполагает знание теоретических основ анализа и проектирования типовых устройств телекоммуникаций. Вместе с тем, одними из важнейших составляющих подготовки являются:
формирование умений практической эксплуатации, включая методику измерений с применением измерительных приборов, планирование эксперимента, обработку результатов измерений;
применение типовых программ компьютерного моделирования для анализа параметров и оптимизации характеристик аналоговых и цифровых устройств.
Таким образом, оптимальная практическая подготовка должна включать в
себя как натурные эксперименты на базе лабораторных макетов, так схемотехническое моделирование с применением персональных компьютеров.
Лабораторное оборудование, необходимое для исследования лабораторных макетов, включает лабораторную стойку в виде настольного пульта со сменными макетами и комплект измерительных приборов (рис. ниже), к которым относятся: генератор сигналов, осциллограф, два вольтметра для измерения входного и выходного напряжений.
Вольтметры |
Контрольная |
Исследуемый усилитель |
|
панель |
(сменная панель) |
|
|
Осциллограф |
Генератор сигналов |
Панель управления |
Комплект лабораторного оборудования
Настольный пульт имеет контрольную панель, сменную панель исследуемой схемы и панель управления. Контрольная панель содержит стрелочные измерительные приборы для контроля напряжений источников питания и коллекторных токов исследуемых усилителей, режима работы транзисторов; выключатель «Сеть»; разъемы «Вход 1», «Вход 2» и «Выход» для подключения к
4
лабораторному стенду генератора синусоидальных колебаний, осциллографа, а также вольтметров для контроля входного и выходного напряжений.
Сменные панели (лабораторные макеты) содержат элементы коммутации схемы исследуемого усилителя.
При внедрении компьютерных технологий в рамках учебного плана дисциплины «Схемотехника телекоммуникационных устройств» наиболее оптимальной для проведения лабораторного практикума является программа Electronics Workbench, называемая также виртуальной лабораторией.
Эта программа наглядна, проста в использовании и не требует дополнительной подготовки по освоению. Интуитивность и простота интерфейса делают ее доступной любому, кто знаком с основами использования Windows. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов.
Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенному к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно.
По сравнению с макетированием компьютерное моделирование имеет ряд серьезных преимуществ:
модель помогает быстро и наглядно изучить принцип работы системы;
исследовать особенности функционирования в более широком диапазоне условий, чем это возможно на реальном объекте, вплоть до аварийной ситуации;
производить документирование результатов измерений;
оперативно изменять параметры компонентов и источников сигналов;
избежать однообразных, многократно повторяющихся измерений;
сократить сроки и стоимость разработки новой техники и т. п.
Вместе с тем, программа Electronics Workbench имеет ряд ограничений:
невозможность многовариантного анализа, что не позволяет получить семейство характеристик при изменении одного или нескольких параметров компонентов;
используемой версии программы не предусмотрен многовариантный анализ при изменении температуры;
применяемые в программе версии 5.12 измерительные приборы могут одновременно выводить ограниченное количество графиков, причем осциллограф может построить графики напряжений только в двух точках схемы, а Боде-плоттер (Bode Plotter) производит построение АЧХ и ФЧХ только для одной точки схемы. Более того, программа не позволяет автоматизировать построение зависимостей от токов, напряжений, строить семейство характеристик при изменении параметров компонентов в заданных пределах. Эти зависимости могут быть построены вручную по методикам, применяемым для экспериментальных измерений на макетах.
5
Следует подчеркнуть, что ЭВМ и программы компьютерного моделирования являются лишь инструментом для изучения процессов и явлений. Как любой инструмент, они должны использоваться для решения определенного класса задач с четко оговоренными условиями и ограничениями, характерными для выбранной модели. Обязательным этапом моделирования является анализ адекватности полученных результатов реальным значениям, поскольку модель не отражает в полной мере всех свойств реальных компонентов.
6
Краткие правила по технике безопасности при проведении лабораторных работ
1.Занятия в лаборатории разрешаются только в присутствии преподавателя после прохождения инструктажа по технике безопасности.
2.Перед включением приборов следует убедиться в надежности заземлений учебной стойки и измерительных приборов.
3.В процессе выполнения лабораторных работ при обнаружении какихлибо неисправностей измерительных приборов, учебной стойки и лабораторного макета необходимо об этом немедленно сообщить преподавателю.
4.Все работы, связанные с ремонтом аппаратуры, производятся только обслуживающим персоналом.
5.После окончания работы немедленно выключить учебную стойку и привести в порядок рабочее место.
Запрещается:
без разрешения преподавателя включать учебную стойку и измерительные приборы;
производить замену блоков исследуемых лабораторных макетов;
переносить измерительные приборы с одной стойки к другой;
одновременно касаться токоведущих и заземленных частей электрической схемы, аппаратуры и оборудования.
При проведении занятий в вычислительном классе разрешается пользоваться только теми программами, которые предусмотрены методикой выполнения лабораторных работ. Без разрешения преподавателя запрещается:
○ открывать, просматривать, редактировать и удалять другие программы; ○ производить настройку параметров системы.
Правила проведения занятий в лаборатории
Подготовка к работе
Перед выполнением работы необходимо:
─ознакомиться с описанием учебной стойки и лабораторной работы;
─изучить вопросы курса, указанные в описании, по рекомендованной литературе;
─выполнить предусмотренные описанием предварительные расчеты;
─ознакомиться с применяемыми в работе измерительными приборами.
Выполнение работы
При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать следующие правила:
лабораторные работы выполняются фронтально всей группой в часы, предусмотренные расписанием, бригадами в соответствии с имеющейся комплектацией рабочих мест;
7
каждый студент перед выполнением следующей лабораторной работы должен защитить отчет по предыдущей работе, предоставить предварительный расчет и пройти собеседование по предстоящей работе;
по окончании работы студент должен представить преподавателю рабочий листок с результатами измерений, после чего выключить стойку и приборы (при работе на ЭВМ закрыть программы и выключить компьютер) и привести в порядок рабочее место.
Оформление отчета
Отчет по каждой лабораторной работе оформляется в соответствии с разделом «Содержание отчета» в описании работы. В отчете должны быть приведены принципиальные схемы исследуемых устройств, изображенные в соответствии с требованием ГОСТ. На схеме необходимо привести обозначение всех элементов и указать значение номинальных величин всех деталей.
При выполнении расчетов следует привести формулу, подстановку численных значений и результат (без промежуточных вычислений). Если расчеты однотипные, то подстановка величин производится один раз, а остальные результаты приводятся в таблице.
Экспериментальные результаты приводятся в виде таблиц, графиков и расчетов с указанием единиц измерения и соответствующего этапа измерений, например: «Измерение сквозной амплитудной характеристики» и т. п. На графиках обязательно необходимо указывать обозначение по осям.
При построении частотных характеристик по оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом масштабе (lg f), а по оси ординат – относительное усиление
|
|
|
Y |
|
1 |
|
|
|
K f |
|
|
|
Uвых f |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при Uвх = const |
(1) |
|||||
|
|
|
M |
|
K fcp |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых fcp |
|
|||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
K* f |
|
|
Uвых f |
|
|||||
Y |
* |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при Uист = const, |
(2) |
|||||
|
M |
* |
|
|
K* fcp |
U |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
вых fcp |
|
где Kf, K*f и Uвых f – соответственно коэффициент усиления по напряжению, сквозной коэффициент усиления по напряжению и выходное напряжение уси-
лителя на текущей частоте, а Kf ср, K*f ср и Uвых f ср – те же параметры на средней частоте. В качестве средней частоты обычно берут 1000 Гц (для усилителя
звукового диапазона) или частоту fcp fн fв .
Отчет должен содержать краткие выводы по работе: анализ и объяснение полученных результатов, сопоставление экспериментальных данных с теоретически ожидаемыми или расчетными.
8
Лабораторная работа № 1 Измерение основных параметров и характеристик усилителя
на интегральной микросхеме
Цель работы: освоить методы измерения и расчета основных параметров и характеристик усилительных устройств с использованием лабораторного макета и измерительного оборудования.
Подготовка к работе
При подготовке к работе необходимо:
1.Изучить описание учебной стойки, краткие технические данные измерительной аппаратуры и инструкции по их применению (Прил. П.1);
2.Изучить описание исследуемого усилителя и основные технические параметры интегральной микросхемы (Прил. П.4).
3.Изучить основные параметры и характеристики усилительных устройств: входные и выходные данные, коэффициенты усиления, частотную и фазовую характеристики, амплитудную характеристику, динамический диапазон, собственные помехи усилителя, нелинейные искажения и способы их оценки; ознакомиться с методами их измерений (Прил. П.2 – П.3);
4.Составить рабочий листок для занесения в него результатов измерений. Рабочий листок составляется в соответствии с п. «Порядок выполнения работы» и содержит: краткое название выполняемого действия, обозначение измеряемого параметра (после знака равенства оставить место для записи значения, которое будет измерено в процессе работы) или заготовку таблицы для измерения характеристик. Расчетные формулы и оси для построения характеристик в рабочем листке приводить не надо. Все расчеты и построения выполняются при подготовке отчета к защите лабораторной работы. Для примера ниже показаны некоторые типовые пункты рабочего листка:
Установить частоту на генераторе входного сигнала fср = 1000 Гц
Измерение номинальных напряжений:
Еист ном = ________; Uвых ном =_________
Измерение сквозной амплитудной характеристики
Еист, мВ
Uвых, В
Установить Еист ≤ 0,5 Еист ном = ________ и т. д.
Таким образом, по рабочему листку можно заранее оценить объем работы, в процессе которой останется только вписать числовые значения.
9
Описание исследуемого усилителя
Исследуемый усилитель (активный четырехполюсник) собран на интегральной микросхеме (ИМС) типа К140УД1Б (Прил. П.4). Схема исследуемого усилителя приведена на рис. 1.2.
Сигнал от генератора гармонических колебаний подводится к входу уси-
лителя через резистор Rист = 10 кОм, выполняющий роль внутреннего сопротивления источника сигнала. Переключатель S1 позволяет подключить вольт-
метр для измерения либо ЭДС источника сигнала (Еист), либо входного напряжения (Uвх). С помощью переключателя S2 можно использовать инвертирующий вход («Вх. 1») либо неинвертирующий вход («Вх. 2») ИМС. Конденсаторы С1, С2 и С3 предназначены для разделения источника и нагрузки от схемы усилителя с по постоянному току. Резисторы R1 и R2 служат для балансировки схемы усилителя. Следует отметить, что на рис. 1.1 в целях упрощения не показаны цепи коррекции частотной характеристики.
С выхода ИМС (вывод 5) усиленный сигнал через конденсатор С3, посту-
пает в нагрузку Rн1 = 2 кОм или Rн2 = 5,1 кОм. Выбор нагрузки осуществляется с помощью переключателя S3.
Для измерения величины выходного сигнала и наблюдения его формы к выходу усилителя подключаются вольтметр и осциллограф. Питание ИМС осуществляется от биполярного источника с равными напряжениями (+15 В и –15 В) относительно общего провода (корпуса).
Упрощенная схема измерений основных параметров и характеристик усилителя с применением вольтметров (V1 и V2) показана на рис. 1.1.
|
Rист |
|
Rвых |
S3 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Еист |
S1 |
Uвх |
Rвх |
|
V2 Uвых |
|
V1 |
Евых |
Rн1 |
||||
|
|
Rн2 |
Рис. 1.1. Схема измерения параметров усилителя
10