Министерство науки и высшего образования

Российской Федерации .

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования «Воронежский

государственный технический университет»

А.В. Башкиров, А. В. Турецкий, М. В. Хорошайлова

ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС

Практикум

Утверждено учебно-методическим советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2020

УДК 628.33

ББК 32856

А.3

Рецензенты:

кафедра информационной безопасности Воронежского государственного

университета инженерных технологий (зав. кафедрой

д-р. техн. наук, проф. А.В. Скрыпников);

д-р. техн. наук, проф. Н.С. Хохлов

Башкиров А. В.

«Основы функционального проектирования РЭС» Практикум: учебное пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (5,0 Мб) / А.В. Башкиров, А. В. Турецкий, М. В. Хорошайлова -Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2020. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024×768; Adobe Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.

ISBN

В учебном пособии рассматриваются вопросы, связанные смоделированием различных функциональных узлов, таких как усилители, генераторы, цифровые ключи и др., а также различные методики их расчета в системе автоматизированного проектирования. Изложены принципы построения схем генераторов гармонических колебаний и стабилизаторов постоянного напряжения.

Издание предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 11.03.03 «Конструирование и технология ЭС», может быть использовано в самостоятельной работе, при подготовке к лабораторным и практическим занятиям, а также в курсовом и дипломном проектировании как справочное пособие по перспективной элементной базе САУ и РЭС.

Ил. 43. Табл. 2. Библиогр: 12 назв.

УДК 628.33

ББК 32856

А.3

ISBN © Башкиров А.В.,Турецкий А. В., Хорошайлова М.В., 2020

© ФГОУ ВО «Воронежский

государственный технический университет», 2020

Введение

Создание РЭС базируется на принципах автоматизированного конструкторского проектирования, высокой технологичности изделий, предполагает микроминиатюризацию, использование современной элементной базы и перспективных материалов, учитывает высокие эргономические и экологические требования.

Одним из основных этапов при создании РЭС является функциональное проектирование. Целью функционального проектирования РЭС является аппаратурная реализация составных частей системы (комплексов, устройств, узлов). При этом выбирают элементную базу, принципиальные схемы и оптимизируют параметры (осуществляют структурный и параметрический синтез схем) с точки зрения обеспечения наилучшего функционирования и эффективного производства.

Пособие содержит 2 части, первая из которого содержит 16 лабораторных работ, а вторая 8 практических работ. Каждая работа посвящена изучению, разработке и моделированию одного из узлов РЭС.

Данное пособие содержит сведения о различных каскадах предварительного усилинея, операционных усилителях и устройствах на их основе. Широко также представлены различные генераторы: RC-генераторы, LC-генераторы, к ним относятся Генератор Колпитца, генератор Клаппа. Также представлены логические элементы на КМОП транзисторах, преобразователи цифро-аналоговые и аналогово-цифровые.

1. Лабораторные работы Лабораторная работа №1 Исследование резисторного каскад предварительного усиления

Цель работы: Моделирование схем каскадов предварительного усиления, изучение влияния элементов схемы на выходные характеристики.

Задание 1.1.1. Каскад усилителя с общим эмиттером

Для исследования каскада усилителя с общим эмиттером необходимо собрать схему, приведенную на рисунке 1.1.1.

Усилитель предназначен для предварительного усиления непрерывных или импульсных сигналов по напряжению.

Основные элементы схемы, приведенной на рисунке 1.1.1.

R₂, R₃ – делитель для подачи смещения на транзистор;

R₅ – C₄ –схема термостабилизации;

С_1, С_2, С₃ – разделительные конденсаторы для разделения режимов отдельных каскадов по постоянному току (т.к. нагрузкой и источником сигнала могут быть такие же каскады ).

R₄ – коллекторная нагрузка и служит для выделения полезной мощности.

C_н(C₅,C₀) – емкость нагрузки

R_н(R₆, R₇) – сопротивление нагрузки

Основными элементами каскада являются: источник питания (E_К), биполярный транзистор n-p-n типа (V1) и резистор коллекторной цепи R_К (на схеме R4). Эти элементы образуют главную усилительную цепь, в которой за счет протекания управляемого током базы I_б коллекторного тока I_к = B^.I_б, на коллекторе транзистора создается усиленное переменное напряжение U_кэ=E_к-I_кR_к, которое, далее, через разделительный конденсатор (на схеме через ключ переключения S1 обозначены как C2 и C2) передается на нагрузочное сопротивление R_н (на схеме на схеме через ключ переключения S2 обозначены как R₆ и R₇). Резисторы R₂, R₃, R₅ обеспечивают необходимый режим транзистора по постоянному току (режим покоя или рабочую точку транзистора). Кроме того, за счет включения в эмиттерную цепь резистора R_э (на схеме R₅), в схеме возникает отрицательная обратная связь (ООС) по постоянному и переменному току. Она осуществляет температурную стабилизацию рабочей точки транзистора. Разделительные конденсаторы (С_1, С_2, С₃) разделяют источник сигнала и нагрузки от каскада по постоянному току и связывают их по переменной составляющей между собой.

Рисунок 1.1.1 – Принципиальная схема каскада усилителя с ОЭ

1) В генераторе импульсов (XFG1) настроить частоту f = 1кГц, затем, используя переключатель S2 для изменения значений сопротивлений нагрузки, снять и построить амплитудные характеристики.

Полученые значения измерений занести в таблицу 1.1.1.

Таблица 1.1.1– Измерение зависимостей влияния сопротивления нагрузки на амплитудные характеристики

Umвх, мВ	40	70	100	130	160	190	220	250	280	310	340
Umвых, В; Rн = 1 кОм
Umвых, В; Rн = 300 Ом

Построить графики и сделать выводы как влияет величина сопротивления нагрузки на величину выходного напряжения.

Рассчитать сквозные коэффициенты усиления по напряжению, используя формулу

,

где h₂₁ — безразмерная величина для транзистора, показывающая усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки, для расчета принять h_21э=100.

R_вх - входное сопротивление каскада с учетом делителя R_б:

R_вх = r_вх||R_б, где R_б = R_б1||R_б2,

r_вх – входное сопротивление каскада без учета делителя R_б в цепи смещения базы , где (r_э в Омах, при I_оэ в миллиамперах), для расчета принять r_б = 100 Ом; r_к = 1мОм, Uок = 7,5 В; I_ок = 10 mA; E_к = 15 В; U_вых = 2 В.

2). Для снятия частотных характеристик и определения диапазона рабочих частот в настройках генератора импульсов XFG1 указать частоту 1кГц, выбрать синусоидальные импульсы, переключателем S2 выбрать сопротивление нагрузки 1кОм. Заполнить таблицу 1.1.2 с различными значениями разделительных конденсаторов С2 и С3, используя переключатель S1 и при при подключеном/отключеном конденсаторе С₀, имитирующем паразитную емкость, используя переключатель S3.

Для определения верхней и нижней частоты рабочего диапазона на панели выбрать simulateanalysesAC analyses. Откроется окно AC analyses. В этом окне открыть вкладку Output для выбора точки моделирования. Для ее определения на схеме два раза щелкнуть клавишей левой кнопки мыши на необходимую линию, и в строке net name и есть имя проводника.

После добавления точки моделирования в окне AC analyses нажать кнопку simulate. Получаем два графика: верхний соответствует амплитудной характеристике, нижний-частотной характеристике. На частотной характеристике значение верхней линии умножаем на 0,707, разводим два курсора по разные стороны. Это и есть значения нижней и верхней частот, на рисунке 1.1.2 они выделены прямоугольниками.

Рисунок 1.1.2 Определения верхней и нижней частоты рабочего диапазона по частотной характеристике

Резистор R1 (R1 = R_доп) имитирует внутреннее сопротивления источника сигнала в приведенной схеме. В зависимости от положения переключателя S4 на осцилографе можно увидеть ЭДС источника сигнала или амплитуду входного сигнала.

Таблица 1.1.2.– Измерение зависимостей влияния величины разделительного конденсатора и наличия/отсутствия конденсатора нагрузки на выходное напряжение

f, кГц	0,2	0,4	0,7	1	2	4	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Umвых, В (С2,Со)
Umвых, В (С3,Со)
Umвых, В (С2)
Umвых, В (С3)

По полученным данным построить графики зависимости, сделать выводы.

3) Измерить входное R_вх и выходное R_вых сопротивления каскада, найти коэффициент усиления по току K_I,по приведенным ниже формулам.

Для измерения входного сопротивления R_вх усилительного каскада необходимо измерить напряжение до (E_ист) и после (U_вх) добавочного резистора R₁, включенного в цепь базы:

, т. е. R_вх измеряется косвенным путем. Здесь отношение является действующим значением переменной составляющей тока базы.

Выходное сопротивление R_вых также измеряется косвенно измерением выходного напряжения U_вых1 на сопротивлении нагрузки R_н1 и напряжения U_вых2 на сопротивлении R_н2 при измеренной величине E_ист:

R_вых=(U_mвых1- U_mвых2)/(I_н2- I_н1),

где I_н2= U_mвых2/ R_н2; I_н1= U_mвых1/ R_н1.

Внутреннее сопротивление источника сигнала равно сопротивлению R_доб(R1).

Коэффициент усиления по току рассчитывается по формуле:

Задание 1.1.2. Исследование каскада усилителя с общим истоком

Для снятия частотной характеристики каскада с общим истоком и измерения его входного сопротивление собрать схему, приведенную на рисунке 1.1.3.

Рисунок 1.1.3 – Принципиальная схема каскада усилителя с общим истоком

При снятии АЧХ каскада установить амплитуду сигнала на входе U_mвх = 100 мВ.

Таблица 1.1.3 – Измерение АЧХ каскада с общим истоком

f, кГц	0,01	0,02	0,04	0,07	0,1	1	10	20	40	70	100	200	500	700
Umвых, В

По полученному графику сделать выводы, чем обусловлено такая АЧХ.

Контрольные вопросы

1. Дать определение амплитудной характеристике усилителя.

2. Как влияют элементы схемы усилителя на АЧХ?

3. Что называется фазовой характеристикой?

4. Что называют частотными искажениями?

5. Дать определение нижней и верхней частот рабочего диапазона.