===== Задания ===== ==== 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. - 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 ==== - 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 (т.е. на выходе [[tex:akip-3408|генератора АКИП-3408/2]]), что на много превышает всякие шумы. - 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. 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". 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. 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 $Q = \frac{U_L}{U_{R_2}} =$ $\frac{U_{вых_1}}{U_{вых_2}}$. */ **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. */ ==== Задание 4. Определение зависимости "нагруженной" добротности контура от тока диода. ==== 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. ==== Задание 5. Измерение шумов при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА ==== **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. /* старое задание 1. Соберите схему для измерений (рис. 14) и по ней определите \guillemotleft замкнутую\guillemotright{} электрическую цепь, по которой протекает ток диода I. Определите резонансную частоту LCR--контура. Измерьте зависимость добротности этого контура от тока диода и постройте соответствующий график. 2. Определите коэффициент усиления усилителя. 3. Измерьте напряжение дробового шума при различных токах 2 диода и постройте график зависимости $\left\langle U_{\text{др}}^{2}\right\rangle $ от $IQ.$ По этому графику определите заряд электрона. Оцените погрешность измерений заряда электрона, используя формулу для погрешности косвенных измерений. */ Назад к [[описание24|описанию установки]] или далее к [[lab2:lab2|описанию ]] лабораторных работ "Физические явления в вакуумном диоде"