| Предыдущая версия справа и слева
Предыдущая версия
Следующая версия
|
Предыдущая версия
|
lab2:задание24 [2019/08/23 15:03]
root_s [Задание 3.] |
lab2:задание24 [2021/10/01 14:18] (текущий)
root [Задание 2. Определение коэффициента усиления усилителя] |
| ==== Задание 1. Визуальное наблюдение дробового шума диода. ==== | ==== Задание 1. Визуальное наблюдение дробового шума диода. ==== |
| - Подключите к выходу усилителя вход осциллографа; ток диода при этом должен быть равен нулю (по шкале прибора $I_а$). Увеличив чувствительность входа осциллографа до максимальной, пронаблюдайте за уровнем собственных шумов осциллографа, поскольку дробовой шум диода при нулевом анодном токе близок к нулю. | - Подключите к выходу усилителя вход осциллографа; ток диода при этом должен быть равен нулю (по шкале прибора $I_а$). Увеличив чувствительность входа осциллографа до максимальной, пронаблюдайте за уровнем собственных шумов осциллографа, поскольку дробовой шум диода при нулевом анодном токе близок к нулю. |
| - Установите ток диода равным примерно 2 мА (по шкале прибора --- 2 больших деления). В этом случае возникает дробовой шум диода, который с учетом усиления контуром и усилителем схемы должен значительно превышать собственные шумы входа осциллографа. Конденсатор контура доложен быть «раскорочен» тумблером "С". | - Установите ток диода равным примерно 2 мА (по шкале прибора --- 2 больших деления). В этом случае возникает дробовой шум диода, который с учётом усиления контуром и усилителем схемы должен значительно превышать собственные шумы входа осциллографа. Конденсатор контура доложен быть «раскорочен» тумблером "С". |
| |
| ==== Задание 2. Определение коэффициента усиления усилителя ==== | ==== Задание 2. Определение коэффициента усиления усилителя ==== |
| - Подключите к входу установки выход генератора, а к выходу --- вольтметр переменного напряжения (диапазон его измерения -- 100 мВ). Установите тумблер "Вход/Выход" в положение "Вход"; в этом случае вольтметр будет показывать напряжение на выходе генератора, в 100 раз превышающее напряжение на входе усилителя. | - Подключите к входу установки выход [[tex:akip-3408|генератора АКИП-3408/2]] и установите частоты в диопазоне $40 \dots 70$ кГц, а к выходу --- осциллограф [[tex:gds-71054b|GDS-71054B]]. Установите тумблер "Вход/Выход" в положение "Вход" --- в этом случае осциллограф будет показывать напряжение на выходе генератора. Установив тумблер "Вход/Выход" в положение "Выход", осциллограф будет показывать напряжение в 100 раз меньшее напряжение, чем выходное напряжение усилителя. |
| - Замкните конденсатор "С" и установите выходное напряжение генератора таким, чтобы сигнал на входе усилителя был примерно 30 мВ, что на много превышает всякие шумы. | - Замкните конденсатор "С" и установите выходное напряжение генератора таким, чтобы сигнал на входе усилителя был примерно 30 мВ (т.е. на выходе [[tex:akip-3408|генератора АКИП-3408/2]]), что на много превышает всякие шумы. |
| - По показаниям вольтметра в двух положениях тумблера "Вход/Выход" определите коэффициент усиления усилителя: $К_у = \frac{U_{вых}}{U_{вх}} \cdot 100$. | - По показаниям осциллографа в двух положениях тумблера "Вход/Выход" определите коэффициент усиления усилителя: $К_у = \frac{U_{\text{вых}}}{U_{\text{вх}}} \cdot 100$. |
| | - Проверка линейности амплитудно-частотной характеристики усилителя в рабочей полосе частот $40 \dots 70$ кГц. При постоянном выходном напряжении генератор изменяйте его частоту в диапазоне $40 \dots 70$ кГц. Конденсатор контура при этом должен быть замкнут. Проверьте точность соблюдения постоянства коэффициента усиления усилителя в указанном диапазоне частот. |
| |
| ==== Задание 3. ==== | ==== Задание 3. Измерение резонансной частоты контура $f_0$ и добротности $Q$ ==== |
| **Проверка линейности амплитудно-частотной характеристики усилителя в рабочей полосе частот $40 \dots 70$ кГц.** | |
| - При постоянном выходном напряжении генератор изменяйте его частоту в указанном диапазоне. Конденсатор контура при этом должен быть замкнут. Проверьте точность соблюдения постоянства коэффициента усиления усилителя в указанном диапазоне частот. | |
| |
| ==== Задание 4. Измерение резонансной частоты контура $f_0}$ и добротности $Q$ ==== | Для сознательного выполнения этого задания напомним физический смысл понятия "добротность" и введем термины "нагруженная" и "ненагруженная" добротность контура. Добротность $Q$ характеризует величину потерь электромагнитной энергии, запасенной в контуре, за одно колебание. Потери определяются, во-первых, джоулевыми (тепловыми) потерями на активном сопротивлении, входящем в цепь контура (сопротивление делителя $R_2$ и сопротивление провода, которым намотана катушка контура). Во-вторых, теми активными сопротивлениями, которые включены параллельно контуру, т.е. эквивалентныме входным сопротивление усилителя и эквивалентным сопротивлением вакуумного диода. Если входное сопротивление усилителя -- величина постоянная и весьма большая, практически не влияющая на добротность контура, то эквивалентное сопротивление диода сильно зависит от величины его анодного тока $I_а$. При выполнении данного упражнения вы убедитесь, что при нулевом анодном токе диода его эквивалентное сопротивление очень большое и практически не влияет на добротность контура. Отсюда добротность контура при нулевом токе анода называется "ненагруженной", а при $I_а \neq 0$ --- "нагруженной". |
| |
| Для сознательного выполнения этого задания напомним физический смысл понятия "добротность" и введем термины "нагруженная" и "ненагруженная" добротность контура. Добротность \textit{Q} характеризует величину потерь электромагнитной энергии, запасенной в контуре, за одно колебание. Потери определяются, во-первых, джоулевыми (тепловыми) потерями на активном сопротивлении, входящем в цепь контура (сопротивление делителя R${}_{2}$ и сопротивление провода, которым намотана катушка контура). Во-вторых, теми активными сопротивлениями, которые включены параллельно контуру, т.е. эквивалентныме входным сопротивление усилителя и эквивалентным сопротивлением вакуумного диода. Если входное сопротивление усилителя -- величина постоянная и весьма большая, практически не влияющая на добротность контура, то эквивалентное сопротивление диода сильно зависит от величины его анодного тока\textit{ I${}_{\textrm{а}}$}. При выполнении данного упражнения вы убедитесь, что при нулевом анодном токе диода его эквивалентное сопротивление очень большое и практически не влияет на добротность контура. Отсюда добротность контура при нулевом токе анода называется "ненагруженной", а при \textit{I${}_{\textrm{а}}$} $\mathrm{\neq}$ 0 -- "нагруженной". | Экспериментально добротность контура можно определить двумя способами. Первый более точный способ основан на использовании АЧХ контура: |
| | {{ :lab2:24-5.jpg?direct&200 |}} |
| | Снимая АЧХ контура при помощи осциллографа [[tex:gds-71054b|GDS-71054B]], нужно определить частоты $f_1$ и $f_2$, на которых выходной сигнал уменьшается до уровня $0,7U_0$ от максимального $U_0$ (на резонансной частоте $f_0$) и вычислить $Q = \frac{f_0}{f_2 - f_1}$. |
| | /*Однако применяемые в наших установках генераторы не позволяют устанавливать частоты $f_1, f_2$ с необходимой для этого точностью (примерно 0,5%). Поэтому мы определяем добротность вторым способом, основанном на следующем факте: при частоте внешнего генератора, равной резонансной, напряжение на реактивных элементах контура (в частности, на индуктивности $U_L$ --- {{ :lab2:24-7.jpg?linkonly |см. рис.}}) становится в $Q$ раз больше, чем на сопротивлении $R_2$, включенном в контур, откуда $Q = \frac{U_L}{U_{R_2}}$ на резонансной частоте. |
| |
| Экспериментально добротность контура можно определить двумя способами. Первый более точный способ основан на использовании АЧХ контура (рис. 3, б). Снимая АЧХ контура, нужно определить частоты \textit{f${}_{1}$} и \textit{f${}_{2}$} , на которых выходной сигнал уменьшается до уровня \textit{0,7U${}_{0}$} от максимального\textit{ U${}_{0}$} (на резонансной частоте \textit{f${}_{0}$}) и вычислить Q = \textit{f${}_{0}$}/(\textit{f${}_{2}$ -- f${}_{1}$)}. Однако применяемые в наших установках генераторы не позволяют устанавливать частоты\textit{ f${}_{\ }$, f${}_{2\ }$} с необходимой для этого точностью (примерно 0,5\%). | Практически добротность по второму способу определяется следующим образом. |
| | - Замкните конденсатор $С$ и установите выходное напряжение генератора таким, чтобы вольтметр, подключенный к выходу усилителя отклонился примерно на 10 мВ. |
| | - Раскоротите конденсатор $С$ и регулируя частоту генератора, добейтесь максимума выходного сигнала усилителя. Тем самым мы определим резонансную частоту контура $f_0$ (по частотомеру генератора) и напряжение $U_L = \frac{U_{вых}}{К_у}$. |
| | - Не меняя частоты и амплитуды генератора, вновь закоротите конденсатор $С$ и измерьте выходное напряжение усилителя, но уже на резонансной частоте. В этом случае $U_{{вых}_2}= К_у U_{R_2}$. |
| | - Рассчитайте добротность контура $Q = \frac{U_L}{U_{R_2}} =$ $\frac{U_{вых_1}}{U_{вых_2}}$. |
| | */ |
| |
| Поэтому мы определяем добротность вторым способом, основанном на следующем факте: при частоте внешнего генератора, равной резонансной, напряжение на реактивных элементах контура (в частности, на индуктивности \textit{U${}_{L}$} -- см. рис.4) становится в \textit{Q} раз больше, чем на сопротивлении \textit{R${}_{2}$}, включенном в контур, откуда \textit{Q} = \textit{U${}_{L}$}/\textit{U${}_{R}$${}_{2}$} на резонансной частоте. | **Определение ненагруженной добротности контура.** Регулятором "$I_а$" установите нулевой ток диода (по встроенному миллиамперметру) и измерьте добротность ненагруженного контура $Q_0$ описанным методом. |
| | /* , в предыдущем пункте. Измерения добротности (вторым способом), естественно, должны производиться на резонансной частоте контура. */ |
| |
| Практически добротность по второму способу определяется следующим образом. 1) Замкните конденсатор С и установите выходное напряжение генератора таким, чтобы вольтметр, подключенный к выходу усилителя отклонился примерно на 10 мВ. 2) Раскоротите конденсатор С и регулируя частоту генератора, добейтесь максимума выходного сигнала усилителя. Тем самым мы определим резонансную частоту контура \textit{f${}_{0}$} (по частотомеру генератора) и напряжение | ==== Задание 4. Определение зависимости "нагруженной" добротности контура от тока диода. ==== |
| |
| \textit{U${}_{L}$} = \textit{U${}_{\textrm{в}\textrm{ы}\textrm{х}}$${}_{1}$/К${}_{\textrm{у}}$}. | Методом, описанном в предыдущем пункте, измерьте добротности контура при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА. Постройте эту зависимость. Сравните нагруженные добротности с ее ненагруженной величиной. |
| |
| 3) Не меняя частоты и амплитуды генератора, вновь закоротите конденсатор С и измерьте выходное напряжение усилителя, но уже на резонансной частоте. В этом случае \textit{U${}_{\textrm{в}\textrm{ы}\textrm{х}}$${}_{2}$${}_{\ }$}= \textit{К${}_{\textrm{у}}$U${}_{R}$${}_{2}$}. 4) Рассчитайте добротность контура \textit{Q} = \textit{U${}_{L}$}/\textit{U${}_{R}$${}_{2}$} = \textit{U${}_{\textrm{в}\textrm{ы}\textrm{х}1}$}/\textit{U${}_{\textrm{в}\textrm{ы}\textrm{х}2}$}. | |
| |
| \textbf{Определение ненагруженной добротности контура}. Регулятором "\textit{I${}_{\textrm{а}}$}" установите нулевой ток диода (по встроенному миллиамперметру) и измерьте добротность ненагруженного контура \textit{Q${}_{0}$} методом, описанным в предыдущем пункте. Измерения добротности (вторым способом), естественно, должны производиться на резонансной частоте контура. | |
| |
| \textbf{Задание 5. \textit{Определение зависимости "нагруженной" добротности контура от тока диода}.} | ==== Задание 5. Измерение шумов при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА ==== |
| |
| Методом, описанном в двух предыдущих пунктах, измерьте добротности контура при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА. Постройте эту зависимость. Сравните нагруженные доротности с ее ненагруженной величиной. | **Внимание**. До сих пор мы работали с достаточно большими сигналами, подаваемыми от генератора. Теперь нам предстоит измерять весьма малые сигналы шумов, для этого используется мультиметр [[tex:gdm-8135|GDM-8135.]] Это требует от экспериментатора особой аккуратности! |
| | - Установите ток диода равным нулю: это уменьшит дробовой шум до нуля, но прочие шумы схемы и измерительных приборов останутся. Поэтому вольтметр на выходе усилителя (предел измерения 200 мВ) будет показывать некоторое ненулевое значение. |
| | - Отключите от входного разъема установки генератор и частотомер (мы уберем все шумы, связанные с этими приборами). Проверьте положение переключателя "$С$": конденсатор должен быть раскорочен. Запомните величину напряжения $U_0$ --- это будет <<нулём>> вольтметра. Теперь **вычитая из измерений $U_0$** мы в определенной мере скомпенсируем все дополнительные шумы установки, не являющиеся дробовым шумом. |
| | - Измерьте выходное напряжение при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА. Каждое измерение нужно делать, дожидаясь стабилизации стрелки вольтметра, поскольку он имеет достаточно большую постоянную времени и медленно приходит в свое стационарное положение. |
| |
| | ==== Задание 6.==== |
| | Постройте зависимость добротности контура и напряжения шумов от тока диода. Рассчитайте по формуле |
| | $$ |
| | \overline{U_{\text{др}}^2}=\frac{eI Q}{2\omega _{0} C^{2} } \hspace{10pt} \text{ или } \hspace{10pt} \Bigl(\frac{U_{\text{эф}}}{K_y}\Bigr)^2 =\frac{eI Q}{2\omega _{0} C^{2}}, |
| | $$ |
| | заряд электрона по всем 4-м значениям тока диода. |
| |
| | **Примечание**. В идеальном случае заряд электрона, конечно, не должен зависеть от величины тока диода. Однако сам дробовой шум от этой величины зависит, а главное, от нее зависит добротность контура и, следовательно, полоса его пропускания для шумов. Это вносит коррективы в измерения и в конечном счете определяет точность эксперимента. Рассчитайте погрешность измерения заряда электрона как среднего по 4-м токам диода. |
| \textbf{Задание 6}: \textbf{\textit{измерение шумов при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА}}. | |
| | |
| \textbf{Внимание}. До сих пор мы работали с достаточно большими сигналами, подаваемыми от генератора. Теперь нам предстоит измерять весьма малые сигналы шумов. Это требует от экспериментатора особой аккуратности! | |
| | |
| 1) Установите ток диода равным нулю: это уменьшит дробовой шум до нуля, но прочие шумы схемы и измерительных приборов останутся. Поэтому вольтметр на выходе усилителя (предел измерения 300 мА) будет показывать некоторое ненулевое значение. | |
| | |
| 2) Отключите от входного разъема установки генератор и частотомер (мы уберем все шумы, связанные с этими приборами). Проверьте положение переключателя "С": конденсатор должен быть раскорочен. Подстройте "0" вольтметра. Подстройкой "нуля" мы в определенной мере скомпенсируем все дополнительные шумы установки, не являющиеся дробовым шумом. | |
| | |
| 3) Измерьте выходное напряжение при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА. Каждое измерение нужно делать, дожидаясь стабилизации стрелки вольтметра, поскольку он имеет достаточно большую постоянную времени и медленно приходит в свое стационарное положение. | |
| | |
| \textbf{} | |
| | |
| \textbf{Задание 7}. Постройте зависимость добротности контура и напряжения шумов от тока диода. Рассчитайте по формуле \eqref{GrindEQ__3_} заряд электрона по всем 4-м значениям тока диода. | |
| | |
| \textbf{Примечание}. В идеальном случае заряд электрона, конечно, не должен зависеть от величины тока диода. Однако сам дробовой шум от этой величины зависит, а главное, от нее зависит добротность контура и, следовательно, полоса его пропускания для шумов. Это вносит коррективы в измерения и в конечном счете определяет точность эксперимента. Рассчитайте погрешность измерения заряда электрона как среднего по 4-м токам диода. | |
| |
| |