Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

• Название: Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
• Автор: Генрих Кардашев
• Издательство: «Горячая линия-Телеком»
• Жанр: Радиотехника
• Год: 2007
• ISBN: 5-93517-327-1

Книга является практическим введением в изучение начал радиоэлектроники с помощью компьютера и самостоятельного технического творчества. В популярной форме рассказывается о радиоэлектронике, поясняется смысл используемых понятий и явлений, приводятся занимательные эпизоды из истории изобретений и открытий. Основу практической части составляют описания простейших и в тоже время интересных и полезных самоделок из электронных наборов Мастер КИТ. Даются подробные советы по их сборке, наладке и применению в быту. Параллельно принципы действия рассматриваемых устройств раскрываются путем моделирования их схем на компьютере в простой программе игрового типа — Electronics Workbench.

Для широкого круга читателей, которые хотели бы подружиться с радиоэлектроникой, сев за компьютер и взяв в руки паяльник.

---

В компьютерной программе EWB открываем панель  Basic (основные компоненты) и выводим на рабочее поле элементы: индуктивный L1 и емкостной С1. Соединив эти элементы последовательно, образуем последовательный колебательный контур. Возбуждение колебаний в контуре будем проводить от генератора синусоидальных колебаний.

Открыв в программе EWB группу Source (источники) , выберем в ней по пиктограмме  AC Voltage Source (источник переменного напряжения). Для этого источника можно провести необходимую установку параметров (амплитуды, частоты и начальной фазы). Здесь (рис. 66) для источника Е1 выбрана амплитуда 1 В, частота 50 Гц и начальная фаза 0°.

Рис. 66. Окно установки параметров генератора в EWB

Основными характеристиками контура являются амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ). Для получения этих характеристик в программе EWB предусмотрен специальный виртуальный прибор: Боде-плоттер.

Соберем схему согласно рис. 67. Исследуемый контур L1C1 подключен к генератору Е1.

Рис. 67. Модель последовательного колебательного контура в EWB

Боде-плоттер выбирается в группе Instruments (инструменты) по пиктограмме . Вход плоттера IN на условном графическом изображении прибора  надо соединить со входом контура, а его выход OUT с источником выходного сигнала (подсобного измерительного резистора R1, вносящего небольшие потери). Для получения частотных характеристик после сборки схемы необходимо вызвать изображение лицевой панели, дважды щелкнув ЛКМ по условному графическому изображению прибора.

По умолчанию, в появившемся полном изображении лицевой панели прибора (см. рис. 68), кнопки (амплитуда) и (логарифмический масштаб) находятся в «утопленном» положении. Для наблюдения АЧХ надо лишь в вертикальной и горизонтальной развертках произвести установки диапазонов моделирования по амплитуде и частоте F (от First — начальное значение) и I (от In — конечное значение), а затем нажать на кнопку, включающую моделирование.

Рис. 68. АЧХ последовательного колебательного контура в EWB

При проведении моделирования частота входного возбуждающего колебания генератора «свиппируется» (последовательно изменяется) в выбранном диапазоне программным путем автоматически.

Далее для наблюдения ФЧХ надо «утопить» кнопку  (фаза) и аналогично предыдущему установить начальное F и конечное I значение фазы, а затем включить моделирование. В результате на экране виртуального схемного прибора получаем вначале АЧХ, а затем ФЧХ (рис. 69).

Рис. 69. ФЧХ последовательного колебательного контура в EWB

Для проведения количественных измерений на этих графиках можно воспользоваться вертикальной визирной линией, перемещаемой из левой части экрана курсором или кнопками с изображением стрелок , находящимися на лицевой панели виртуального схемного Боде-плоттера. Соответствующие отсчеты в цифровой форме для точки пересечения визира с линией графика возникают в нижних окошках лицевой панели прибора (рис. 68, 69).

Программа EWB позволяет получить частотные характеристики, сведенными на один экран. Для этого, после установки диапазонов и проведения моделирования, надо нажать на пиктограмму  Display Graphs (график на дисплее). В результате получатся графики резонансной АЧХ (рис. 70), где Gain — коэффициент усиления, выраженный в децибелах, и ФЧХ (рис. 70), где Phase — фазовый угол, выраженный в градусах (Degrees).

Рис. 70. АЧХ и ФЧХ последовательного колебательного контура в EWB

В верхней части панели Analysis Graphs имеется набор инструментов для редактирования полученных графиков.

«Пересоединив» катушку и конденсатор, получим параллельный контур (рис. 71).

Рис. 71. Модель параллельного колебательного контура в EWB

Дадим команды на моделирование, аналогично предыдущему случаю, и получим АЧХ и ФЧХ (рис. 72), обратные предыдущим.

Рис. 72. АЧХ и ФЧХ параллельного колебательного контура в EWB

По АЧХ не трудно определить собственную (резонансную) частоту и добротность контура; изменяя параметры элементов контура, можно проследить за изменениями этих характеристик.

Моделирование контура радиоприемника Мастер КИТ NK105

Радиоприемник работает в диапазонах длинных, средних или коротких волн с хорошим качеством звучания и выходной мощностью до 1 Вт. Напряжение питания устройства 9 В. Размеры печатной платы: 38x32 мм. Внешний вид радиоприемника показан на рис. 73. Принципиальная электрическая схема радиоприемника показана на рис. 74.

Рис. 73. Внешний вид радиоприемника Мастер КИТ NK105

Рис. 74. Принципиальная схема радиоприемника Мастер КИТ NK105

Это детекторный радиоприемник прямого усиления сигналов с AM. Нас в нем интересует сейчас входной контур, образованный катушкой на ферритовом стержне с индуктивностью L и конденсатором С2 = 120 pF.

Конденсатор С1 = 1.5 nF служит для емкостной связи с внешней антенной.

Антенна (см. рис. 73) представляет собой ферритовый стержень (диаметром 10x60 мм), на котором размещается подвижная бумажная гильза с контурной катушкой. В зависимости от выбранного диапазона катушка имеет следующее число витков: 10 для КВ, 64 — СВ и 110 — ДВ. Приемник в простейшем варианте является однодиапазонным и однопрограммным.

Настройка на конкретную станцию осуществляется по максимальной громкости приема поворотами антенны в горизонтальной плоскости и перемещениями катушки вдоль стержня. После получения приемлемого результата катушка фиксируется скотчем. Впоследствии приемник может быть доработан введением регулировочного конденсатора и переключателя диапазонов.

Виртуальная модель исследования входного контура в программе EWB показана на рис. 75, а.

Рис. 75. Модель исследования входного контура радиоприемника Мастер КИТ NK105 в программе EWB:

а — схема; б — АЧХ

В схеме, прилагаемой к набору, параметр L не известен. Для его определения есть несколько вариантов. Можно рассчитать индуктивность предварительно зная число витков, геометрические размеры и магнитную проницаемость стержня или по формуле Томсона, задавшись частотой и зная емкость С2. Экспериментально можно определить индуктивность следующим образом. Параллельно ей включается предварительно отградуированный конденсатор переменной емкости C = var. Берется другой радиоприемник, работающий на внешнюю антенну, и точно настраивается на определенную радиостанцию. После этого между антенной и работающим радиоприемником включается контур LC. Варьируя емкость С этого контура, добиваются минимального звучания принимаемой радиостанции. Поскольку АЧХ исследуемого контура будет аналогична ранее приведенной на рис. 72, т. е. он будет работать как фильтр-пробка, то дальнейшим расчетом нетрудно определить искомую индуктивность.

Проведение этих «увлекательных» процедур оставим пытливым читателям. Мы же выберем для моделирования настройку на радиостанцию «Маяк» в СВ-диапазоне, соответственно 546,4 м или 549 кГц. По этой частоте и емкости С2 прикидываем, что величина индуктивности составит порядка 0,7 мГн. Поэтому в виртуальной модели выбираем регулируемую индуктивность с запасом — 1 мГн. Дополнительный резистор R1 позволяет в этой схеме включения выявить резонансную частоту контура. Полученный результат показан на рис. 75, б.

Два Робинзона

…Нам, советским читателям, многое чуждо в Робинзоне. Был он купцом, и, как все купцы, заботился о собственной выгоде.

К. Чуковский. Предисловие к книге: Д. Дефо. «Робинзон Крузо»

Радиоприем на «картофелину»

Первый Робинзон — отчаянный радиолюбитель, а не купец — попал на необитаемый остров и у него случайно (как рояль в кустах) оказались головные телефоны от плеера, какой-то диод да моток провода. Пошарив вокруг, Робинзон наткнулся на крупную картофелину. Из кармана он извлек перочинный нож и пачку сигарет (запрет Минздрава на острове не действовал). Картофелину можно бы съесть, но жить без радио, не зная прогноза погоды, последних известий и результатов чемпионата… Робинзон вспомнил, что в книге С. А. Шабалина видел простейший радиоприемник из картофелины (рис. 76).