Моделювання та дослідження генератора синусоїдального сигналу – МАНЛаб


Моделювання та дослідження генератора синусоїдального сигналу

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною лабораторної роботи.
  2. Змоделювати генератор синусоїдального сигналу.
  3. Визначити його частоту та порівняти з розрахунковою.

Обладнання:

ПК з програмою Multisim 11.0.

Теоретична частина

Відомо, що після однократної зарядки конденсатора в коливному контурі виникають гармонічні коливання, частота яких залежить від параметрів контуру (див. л.р. “Дослідження коливного контуру”). Електромагнітні коливання в будь-якому реальному контурі швидко згасають через втрати енергії на нагрівання проводів та випромінювання електромагнітних хвиль.

Для підтримання в контурі електромагнітних коливань, які не згасають, необхідно поповнювати запас енергії в ньому. Це можливо зробити, періодично підключаючи його до джерела постійного струму з частотою, що відповідає його резонансній частоті. При цьому необхідно узгоджувати моменти підключень обкладинок конденсатора з моментами набуття ними заряду, що збігаються за знаком зі знаками полюсів підключеного джерела живлення.

На такому принципі працюють електронні пристрої, що називаються генераторами електромагнітних коливань.

Як швидкодійний ключ для отримання коливань, що не згасають, може використовуватися напівпровідниковий транзистор. Для узгодження моментів підключення коливного контуру до джерела живлення послуговуються принципом зворотного зв’язку.

Схема одного з найпростіших генераторів синусоїдальних електромагнітних коливань представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема генератора синусоїдального сигналу

Коливний контур генератора складається з конденсатору С1 та котушки L1 трансформатору Т1.

Під час зарядження та розрядження конденсатора С1 коливного контуру зміни струму в котушці L1 викликають зміни магнітного поля навколо неї. При цьому відбуваються зміни магнітного потоку та ЕРС індукції в котушці L2, що називається котушкою зворотного зв’язку. Один кінець котушки L2 з’єднаний з емітером транзистора VT1, а інший через конденсатор С2 – з його базою. Котушка зворотного зв’язку підключається так, що під час зростання сили струму в ланцюгу колектора на базу подається сигнал, що відкриває транзистор, а під час зменшення струму – сигнал, що його закриває. Такий тип зворотного зв’язку називається позитивним зворотним зв’язком.

Резистор R1 призначений для встановлення початкового струму через базу та колектор за відсутності змінної напруги на кінцях котушки зв’язку.

При підключенні генератора до джерела постійного струму крізь резистор R1 та базу транзистора починає текти початковий струм; транзистор частково відкривається. При цьому заряджається конденсатор С1, а крізь котушку L1 починає протікати та зростати струм. У котушці L2 при цьому виникає ЕРС, яка збільшує струм крізь базу транзистора, що призводить до поступового відкривання транзистора та зростання струму крізь котушку L1. Коли транзистор переходить у повністю відкритий стан, нарощування струму припиняється, ЕРС індукції в котушці L2 зникає; транзистор починає переходити в закритий стан. Конденсатор С1 при цьому перезаряджається через котушку L1. Коли конденсатор починає перезаряджатися в зворотному напрямку, струм у котушці L1 тече у протилежному напрямку, а в котушці L2 виникає ЕРС індукції, напрямок якої відповідає подальшому закриванню транзистора.

Коли струм крізь котушку L2 припиняється, транзистор знову переходить у частково відкритий стан за рахунок початкового струму крізь базу та цикл повторюється знову. При цьому в коливному контурі коливання вже збуджені та генератор починає працювати в стаціонарному режимі.

У лабораторній роботі пропонується змоделювати генератор за схемою, представленою на рис. 1, визначити його частоту та порівняти з розрахунковою.

Параметри компонентів для моделювання схеми зведені до таблиці 1.

 

Таблиця 1

VDC, В С1, μF С2, nF R1, kΩ L1, mH L2, mH VT1
12 2 20 30 10 10 2N3904

 

Хід роботи

  1. Запустіть програму Multisim 11.0.
  2. Зайдіть в меню «Вставить» – «Компонент».
  3. У вікні, що з’явилося, оберіть розділ «Transistors» та сімейство «BJT_NPN».
  4. Оберіть транзистор 2N3904 Натисніть «ОК» та поставте його в довільне місце робочого поля програми.
  5. Оберіть розділ «Basic» та сімейство «Capacitor» (конденсатор).
  6. Оберіть конденсатори ємністю 2μ (2 мкФ = 2∙10-6 Ф) та 20n (20 нФ = 20∙10-9 Ф) та поставте їх поряд з транзистором.
  7. Оберіть сімейство «Resistor» (резистор, активний опір).
  8. Оберіть резистор опором 30 kΩ (кОм) та поставте його поряд з іншими компонентами.
  9. Оберіть сімейство «Transformer» (трансформатор).
  10. Оберіть компонент «TS_Ideal» та поставте його поряд з іншими компонентами.
  11. Оберіть розділ «Sources» (джерела).
  12. Оберіть сімейство «Power sources» (джерела живлення).
  13. Оберіть джерело живлення постійного струму «DC_Power», натисніть «ОК» та встановіть його поряд з іншими компонентами.
  14. Оберіть «Ground» (заземлення), натисніть «ОК» та встановіть його поряд з іншими компонентами.
  15. Закрийте вікно добору компонентів.
  16. За допомогою інструментів програми, з якими ви ознайомилися під час виконання попередніх лабораторних робіт, з’єднайте всі компоненти відповідно до схеми на рис. 1. Заземлення має бути з’єднаним з загальним (від’ємним) провідником схеми.
  17. Оберіть у правому вертикальному меню осцилограф та встановіть його з правого боку від схеми (XSC1).
  18. З’єднайте канал «А» осцилографа XSC1 з коливним контуром генератора.
  19. Оберіть у правому вертикальному меню частотомір та встановіть його з правого боку від схеми (XFC1).
  20. З’єднайте частотомір з коливним контуром генератора.

Рис. 2. Приклад побудованої схеми

  1. Подвійним клацанням лівою кнопкою миші на трансформаторі T1 відкрийте вікно його налаштування.
  2. У вікні, що з’явилося, задайте параметри: індуктивність первинної обмотки – 10 mH; індуктивність вторинної обмотки – 10 mH (10 mH = 10∙10-3 Гн); коефіцієнт зв’язку – 1.
  3. Закрийте вікно налаштування трансформатора.
  4. Відкрийте вікна осцилографа й частотоміру подвійним клацанням лівої кнопки миші та встановіть їх у зручних місцях поля програми.
  5. Натисніть кнопку «Пуск» . Почалося моделювання роботи схеми. На осцилографі має відтворюватися сигнал генератора, а на частотомірі – значення частоти сигналу.
  6. Встановіть на екрані осцилографа зручні для роботи масштаби часу та рівня сигналу.
  7. Через декілька секунд натисніть кнопку «Стоп» поряд з кнопкою «Пуск».

Рис. 3. Приклад зареєстрованого осцилографом сигналу генератора та його частоти, зафіксованої частотоміром

 

Аналіз даних

  1. Розрахуйте теоретичне значення частоти сигналу генератора за формулою, Гц:

(1)

  1. Порівняйте теоретичне значення частоти сигналу зі значенням, отриманим шляхом моделювання за показаннями частотоміру.
  2. Дійдіть висновків, чому і на скільки значення частоти, отримане шляхом моделювання, відрізняється від її розрахункового значення.
  3. Уважно розгляньте форму сигналу, отриману за допомогою осцилографа.
  4. Дійдіть висновків щодо того, чи відрізняється форма сигналу генератора від ідеальної синусоїди; якщо відрізняється, то на скільки і чому.