Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Радиотехнические цепи и сигналы. Лаб. работы № 1, 3, 4, 6 2007
__________________________________________________________________________________________
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
——————
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
—————————————————————————————————————
по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы»
для студентов, обучающихся по направлению «Радиотехника»
Под редакцией В.Г. Карташева
УДК
621.396
Р–154
Утверждено учебным управлением МЭИ
Подготовлено на кафедре основ радиотехники
Рецензент: канд. техн. наук, проф. А.К. Нарышкин
Р–154 Радиотехнические цепи и сигналы. Лабораторные работы №№ 1, 3, 4, 6: методическое пособие / Б.П. Поллак, Л.И. Пейч, В.Г. Карташев, С.В. Пучин; под ред. В.Г. Карташева. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 24 с.
Сборник содержит описания четырех лабораторных работ, посвященных изучению ос новных понятий и методов спектрального анализа преобразования радиосигналов в линейных и нелинейных радиотехнических цепях. Изучаются спектры периодических сигналов (работа № 1), прохождение амплитудно-модулированных сигналов через резонансную цепь (работа № 3), нелинейное резонансное усиление сигналов (работа № 4), амплитудное детектирование сигналов диодным детектором (работа № 6).
Сборник предназначен для студентов радиотехнического факультета (всех специальностей).
Учебное издание
Поллак Борис Павлович
Пейч Лидия Ивановна
Карташев Владимир Герасимович
Пучин Сергей Владимирович
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
Лабораторные работы №№ 1, 3, 4, 6
по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы»
для студентов, обучающихся по направлению «Радиотехника»
Редактор В.Г. Карташев
Редактор издательства Г.Ф. Раджабова
Темплан издания МЭИ 2006 (I), метод. Подписано в печать
Формат 60х84/16 Печать офсетная Физ. печ.л. 1,5
Изд. № 95 Тираж 250 экз. Заказ
ЗАО «Издательский дом МЭИ», 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14
Отпечатано в типографии
© Московский энергетический институт
(технический университет), 2007
ВВЕДЕНИЕ
Сборник содержит описания четырех лабораторных работ по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы». Предлагаемые работы посвящены изучению ос новных понятий и методов спектрального анализа преобразования радиосигналов в линейных и нелинейных радиотехнических цепях.
Лабораторные работы поставлены на базе всего предшествующего опыта преподавания теории радиотехнических цепей и сигналов, накопленного ка федрой основ радиотехники. В частности, прототипами приведенных ра бот послужили соответствующие работы из предыдущих аналогичных сборников (Баскаков С.И., Жуков В.П., Калинин В.А. Лабораторные работы по курсу РЦС: Линейные радиотехнические цепи – М.: Моск. энерг. ин-т, 1989; Журихин А.В. Лабораторные работы по курсам РЦС и ТОР: Нелинейные цепи и цепи с переменными параметрами – М.: Издательство МЭИ, 1993).
Особенность предлагаемого лабораторного практикума — все работы выполняются на одной и той же многофункциональной лабораторной установке для изучения радиотехнических цепей и сигналов. Она отличается от обычно используемых лабораторных установок анало гичного назначения — в ней нет обычных генераторов и измерительных приборов, а их функции выполняет компьютерная генераторно-измери тельная система.
Ниже приведены краткие описания установки и генераторно-изме ри тельной системы.
Многофункциональная лабораторная установка
для изучения радиотехнических цепей и сигналов
Лабораторная установка (рис.1) состоит из двух основных частей — лабора торного стенда и персонального компьютера.
Изучаемая цепь собирается на лабораторном стенде из имеющегося в стенде и прилагаемого к нему набора схемотехнических элементов (рези сторов, конденсаторов, индуктивных катушек и т.п.). В предлагаемых лабораторных работах используется универсальный лабо раторный стенд «Сигнал-1». В нем имеется, в частности, универсальный транзисторный усилитель, используемый в работе № 4.
Входной сигнал формируется компьютерной гене раторно-измеритель ной системой. Он подается на цепь с генераторного выхода системы. Входной и выходной сигналы измеряются той же генераторно-измери тельной системой. Измеряемый сигнал подается на измерительный вход системы.
Компьютерная генераторно-измерительная система представляет собой аппаратно-программную систему, специально разработанную для изучения радиотехнических цепей и сигналов. Аппаратная часть системы размещена частично в лабораторном стенде и частично — в компьютере.
Рис.1. Лабораторная установка
Рис.2. Панель для сборки цепи
Лабораторный стенд «Сигнал-1»
В большинстве лабораторных работ по курсу РЦС используются только генераторно-измерительная часть стенда и панель для сборки цепи (рис.2).
Панель для сборки цепи содержит достаточное количество гнезд, в которые вставляются сменные элементы собираемой схемы и соединительные проводники. Гнезда электрически соединены друг с другом и не соединены ни с какими другими элементами стенда.
Выходные гнезда генератора и входные гнезда измерителя расположены рядом с панелью для сборки цепи (слева и справа от нее).
В одной из лабораторных работ используется универсальный транзисторный усилитель, имеющийся в стенде. Схема усилителя представлена на верхней панели стенда.
Компьютерная генераторно-измерительная система
Компьютерная генераторно-измерительная система предназначена для изучения радиотехнических цепей и сигналов методами автоматизированного физического эксперимента и математического моделирования.
Для управления графиками служит блок регуляторов (рис.3), расположенный под экраном справа.
Рис.3. Блок управления графиками
Регуляторы позволяют:
1) растянуть выделенный прямоугольник;
2) растянуть выделенный интервал горизонтальной оси;
3) растянуть выделенный интервал вертикальной оси;
4) вернуться к предыдущему масштабу;
5) растянуть изображение от указанной точки;
6) сжать изображение к указанной точке;
Работа с курсорами
С помощью курсоров можно измерить характерные значения напряжения, времени, частоты и т.п. в любой точке экрана. Для работы с курсорами служат блоки управления (рис.4), располо женные под экраном:
Рис.4. Блоки управления курсорами
1 – номер курсора;
2 – абсцисса центра курсора;
3 – ордината центра курсора;
4 – кнопка активизации курсора («активный» отмечается «■»);
5 – редактор изображения курсора (при потере курсора — «Bring to Center»);
6 – переключатель «привязки» курсора к графикам.
Правила
выполнения лабораторных работ в лаборатории РЦС
Подготовка к лабораторному занятию заключается в изучении соответст вующего раздела курса (по учебнику или конспекту лекций) и выполнении до машнего задания.
Отчет по домашнему заданию представляется каждым студентом индивиду ально. Если отчет не представлен или выполнен неудовлетворительно, то сту дент к лабораторной работе не допускается.
В процессе выполнения лабораторного задания студенты, как правило, за рисовывают (с экрана) различные графики. Графики можно зарисовывать «от руки», но с примерным соблюдением масштаба. На зарисованных графиках должны быть приведены шкалы значений измеряемых величин и указаны усло вия эксперимента.
Выполнив лабораторное задание, предъявите результаты преподавателю. Без его разрешения установку не выключайте.
По окончании занятия (после приема результатов работы преподавателем) выключите установку, разберите схему, сдайте лаборанту набор проводов и комплектующих деталей, наведите порядок на рабочем месте.
Отчет по лабораторной работе представляется каждым студентом индивиду ально. Он должен содержать:
1) материалы домашней подго товки;
2) исправление выявленных в них ошибок;
3) оформленные результаты выполнения лабораторного задания — указан ные в задании графики, таблицы и пр.;
4) анализ обнаруженных расхождений между вашими исходными теоретическими представлениями и экспериментальными фактами либо вывод об отсутствии таких расхождений.
Защита выполненной работы осуществляется каждым студентом индивиду ально. При оценке работы студента учитываются:
1) уровень подготовки к лабораторному занятию;
2) качество выполнения лабораторного задания;
3) качество представленного отчета;
4) уровень усвоения основных вопросов, изучаемых в работе. Примерные контрольные вопросы приведены в описании каждой работы.
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Ниже приведены описания четырех лабораторных работ по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы». Работы посвящены изучению ос новных понятий и методов спектрального анализа радиосигналов и их преобразования в линейных и нелинейных радиотехнических цепях.
Лабораторные занятия проводятся фронтальным методом. На выполне ние каждой лабораторной работы отводятся 4 академических часа. До машняя подготовка к каждой работе рассчитана также на 4 часа.
Лабораторная работа № 1
СПЕКТРЫ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Цель работы — освоить основные понятия спектрального анализа периодических сигналов.
Изучаются следующие основные вопросы:
1) понятие дискретного спектра; 2) методика теоретического анализа спектра периодического сигнала; 3) спектры типовых периодических сигналов; 4) влияние формы и параметров сигнала на его спектр; 5) понятие спектральной плотности сигнала.
Домашнее задание
Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебник [1] (§§ 2.1÷2.2), учебные пособия [2÷4] и конспект лекций.
1. Выпишите формулы разложения произвольного периодического сигнала u(t) в ряд Фурье.
2. Выпишите формулы для комплексных амплитуд гармоник периодической последовательности прямоугольных импульсов (рис.5) и периодической последовательности треугольных импульсов (рис.6). При этом рассмотрите как общий случай (произвольное соотношение T и Tи), так и частный случай (T=2Tи).
3. Для периодического сигнала типа «меандр» (рис.5, T=2Tи) и для соответствующей периодической последовательности треугольных импульсов (рис.6, T=2Tи), задавшись конкретным значением амплитуды импульсов (Uи=1 В), рассчитайте и сведите в таблицу комплексные амплитуды гармоник Un. Постройте осциллограммы и спектрограммы этих сигналов. Рисунки расположите удобно для сравнения; на осях приведите шкалы напряжения и укажите характерные значения времени и частоты.
Образец таблицы
|
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Сигнал |
|
Un, В |
«Меандр» |
||||||||||
|
«Треуг.» |
4. Изобразите осциллограммы и характер спектрограмм периодической последовательности прямоугольных импульсов (Uи=1 В, Ти=500 мкс) (в пределах 0÷6 кГц) для трех значений периода (T=2 мс, 4 мс, 8 мс). Рисунки расположите удобно для сравнения; на осях укажите характерные числовые значения напряжения, времени и частоты (в кГц).
Рис.5. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов
Рис.6. Периодическая последовательность треугольных импульсов
Лабораторное задание
Лабораторное исследование проводится в режиме математического моделирования: компьютер формирует заданный сигнал в виде числовой последовательности, а затем, обрабатывая эту последовательность с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ), вычисляет спектральные составляющие сигнала.
Подготовка установки к работе
Включите генераторно-измеритель ную систему (ее ярлык — на рабочем столе) и установите режим измерения осциллограмм сигналов.
Включите отображение расчетного входного сигнала (отображение других сигналов отключите). Сформируйте непрерывный сигнал, состоящий из постоянной составляющей и одной гармоники (параметры на ваш выбор), и убедитесь в правильном отображении его осциллограммы.
1. Изучение влияния параметров гармонического сигнала
на его спектр
Перейдите в режим измерения спектров сигналов и убедитесь в правильном отображении спектро граммы сформированного сигнала.
Перейдите в режим одновременного измерения осциллограмм и спектров сигналов. Изменяя параметры сиг нала (постоянную составляющую, амплитуду, частоту, началь ную фазу), наблюдайте изменения ос цил лограммы и спектрограммы сигнала. Убедитесь, что осциллограммы и спектрограммы количественно соответствуют друг другу и задаваемым параметрам сигнала.
2. Синтез периодических сигналов из спектральных составляющих
2.1. Сформируйте непрерывный сигнал, состоящий из постоянной составляющей и пяти гармоник, параметры которых задайте согласно вашим расчетам (третья строка таблицы; n=0, 1, 3, 5, 7, 9). Установите пределы отображения по частоте с некоторым запасом (от 0 до 15-й гармоники).
Установленные шкалы в пп. 2÷3 не изменяйте.
Последовательно увеличивая число суммируемых гармоник, наблюдайте приближение формируемого сигнала к периодической последовательности треугольных импульсов. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы наиболее точного приближения.
2.2. Аналогично п.2.1 попытайтесь синтезировать периодический сигнал из других спектральных составляющих (приведенных во второй строке таблицы). Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы наиболее точного приближения синтезируемого сигнала к «меандру» (расположите новые рисунки удобно для сравнения с п.2.1).
3. Изучение спектра периодического сигнала типа «меандр»
Сформируйте сигнал типа «меандр», т.е. периодическую последовательность прямоугольных импульсов с параметрами, соответствующими п.3 домашнего задания (Uи=1 В, T1= −250 мкс, T2=250 мкс, T=1 мс), и, не меняя пределов отображения, зарисуйте осциллограмму и спектрограмму сигнала (расположите их удобно для сравнения с п.2.2).
4. Изучение влияния периода повторения импульсов на спектр
их последовательности
Увеличивайте период (T=2; 4; 8 мс) и наблюдайте изменения спектра. Подберите пределы отображения, удобные для изучения влияния периода на спектр (при T=8 мс на осциллограмме — 2 импульса, на спектрограмме — 3 «лепестка»). Не изменяя пределов, зарисуйте осциллограммы и спектрограммы для указанных значений периода (расположите их удобно для сравнения между собой).
5. Изучение влияния параметров импульса на спектр
периодической последовательности импульсов
При максимальном периоде (T=8 мс) увеличьте длительность прямоугольного импуль са до 1 мс (с сохранением его площади, т.е. Uи=0,5 В, T1= −500 мкс, T2=500 мкс) и наблюдайте изменение спектра. Не изменяя пределов отображения по времени и по частоте, установите более удобные пределы отображения амплитуд гармоник. Зарисуйте осциллограмму и спектрограмму для Ти=1 мс (расположите их удобно для сравнения с п.4).
При том же периоде (T=8 мс) измените форму импульса — перейдите от прямоугольного импульса к треугольному с той же площадью и той же «средней» длительностью 1 мс (сигнал импульсный, число точек 3, U1=U2=U3=0, a1=a3=0,5 В/мс, a2= −1 В/мс, T1= −1 мс, T2=0, T3=1 мс) — и наблюдайте изменение спектра. Не изменяя пределов отображения, зарисуйте осциллограмму и спектрограмму (расположите их удобно для сравнения с предыдущими).
6. Изучение спектральных функций прямоугольного и треугольного импульсов
Постройте на одном графике осциллограммы трех импульсов — двух прямоугольных (пп.4÷5) и треугольного (п.5), а на другом графике — спектральные функции (зависимости спектральной плотности от частоты) этих же импульсов, рассчитанные по полученным в пп. 4÷5 результатам.
Контрольные вопросы
1. Что такое дискретный спектр сигнала?
2. Каковы особенности дискретного спектра периодического сигнала?
3. Что такое спектральная плотность (спектральная функция) сигнала?
4. Как взаимосвязаны дискретный спектр периодической последовательности им пульсов и спектральная функция одного импульса из этой последовательности?
5. Как влияет период повторения импульсов на спектр их последовательности?
6. Как влияют параметры импульса на спектр периодической последовательности таких импульсов?
7. Поясните полученные в данной работе результаты сопоставления спектров последовательностей прямоугольных и треугольных импульсов.
__________
Лабораторная работа № 3
ПРОХОЖДЕНИЕ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ ЧЕРЕЗ РЕЗОНАНСНУЮ ЦЕПЬ
Цель работы — на примере резонансного усиления амплитудно-моду лированных сигналов освоить методику спектраль ного анализа прохождения радиосигналов через линейные цепи.
Изучаются следующие основные во просы:
1) спектральный подход к анализу прохождения радиосигнала через линейную цепь; 2) спектр амплитудно-модулированного сигнала; 3) методика теоретического анализа прохождения АМ-сигнала через резонансную цепь; 4) искажения передаваемого АМ-сигнала при различных соотношениях между параметрами сигнала и цепи.
Домашнее задание
Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебник [1] (§§ 4.1, 9.1, 9.3), учебные пособия [2÷4] и конспект лекций.
1. Выпишите теоретические формулы, описывающие прохождение АМ-сигнала с гармоническим законом модуляции
u(t) = U(t) cos (ω0t+φ0) = Uнес (1 + Mвх cos (Ωt+Φ)) cos (ω0t+φ0)
через одноконтурную резонансную цепь с передаточной функцией
K(jω) = kр / (1+jQ(/р−р/)), где р=0, П=р/Q.
При этом нужно отразить основные этапы анализа спектральным методом: 1) расчет спектра входного сигнала; 2) расчет АЧХ и ФЧХ цепи; 3) расчет спектра выходного сигнала по спектру входного сигнала и частотным характеристикам цепи; 4) расчет осциллограммы выходного сигнала
v(t) = V(t) cos (ω0t+ψ0) = Vнес (1 + Mвых cos (Ωt+Ψ)) cos (ω0t+ψ0)
по его спектру.
2. Для конкретного примера (Мвх=1, =П/2, kр=1, остальные параметры — на ваш выбор) изобразите качественно (с примерным соблюдением масштаба): 1) спек трограмму входного сигнала, АЧХ и ФЧХ цепи, спектрограмму выходного сигнала (одна под другой в одном масштабе частоты); 2) осциллограммы вход ного и выходного сигналов (одна под другой в одном масштабе времени).
3. Рассчитайте коэффициент модуляции Мвых и начальную фазу огибающей Ψ выходного АМ-сигнала для трех случаев (=П/4, =П/2, =П). Результаты расчета сведите в таблицу.
Образец таблицы
Ω |
Пω/4 |
Пω/2 |
Пω |
Примечание |
|
Мвых |
Расчет |
|||
|
Измерение |
||||
|
Ψ, гр. |
Расчет |
|||
|
Измерение |
4. Изобразите схему простого параллельного LC-контура, подключенного к источнику напряжения через резистор Rг. На схеме укажите стрелками входное и выходное напряжения (выходное напряжение снимается с контура).
Лабораторное задание
Подготовка установки к работе
Соберите простой параллельный колебательный контур из индуктивной катушки (L=25 мГн) и конденсатора (С=25 нФ). Входное напряжение подается на контур через резистор (Rг=1020 кОм), выходное напряжение снимается с контура.
Включите генераторно-измеритель ную систему (ее ярлык — на рабочем столе). Установите режим измерения амплитудно-частотных характеристик цепей. Задайте амплитуду входного сигнала Um=1 В.
1. Изучение амплитудно-частотной характеристики
и измерение параметров резонансной цепи
Включите отобра жение измеряемой АЧХ и запустите автоматическое измерение АЧХ. Установите пределы измерений по частоте (выделите область резонанса) и подберите удобный шаг измерений. Зарисуйте измеренную АЧХ.
Включите отобра жение расчетной АЧХ. Из набора математических моделей цепи выберите одноконтурную резонансную цепь. Методом подбора параметров модели, дающих хорошую аппроксимацию измеренной АЧХ, измерьте параметры собранной цепи (kр, fр, Q, Пf=fр/Q).
Зашунтируйте резистор Rг другим резистором (R=Rг/2÷Rг) и убедитесь в расширении полосы пропускания исследуемой резонансной цепи. Для нового варианта цепи повторите измерения АЧХ и параметров (новую АЧХ нанесите на тот же график).
После этого шунтирующий резистор временно отключите.
2. Изучение влияния взаимной расстройки сигнала и цепи
на передачу сигнала
Переключите генераторно-измерительную систему в режим измерения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров) и включите отобра жение генерируемого и измеряемого сигналов. Сформируйте АМ-сигнал с гармоническим законом модуляции:
u(t) = Uнес (1 + Mвх cos (Ωt+Φ)) cos (ω0t+φ0),
где Uнес=1 В, Мвх=1, F=Пf/2 (Пf — полоса пропускания более узкополосной цепи, т.е. цепи без шунта; точность установки частоты 0,25 кГц), Φ=φ0=0, f0=fр. Установите рекомендуемые пределы отображения по времени (примерно 2 периода модуляции) и по частоте (примерно f0±4F).
Изменяя несущую частоту (вблизи резонанса), обратите внимание на искажения сигнала при расстройке относительно резонансной частоты цепи (проверьте, что собрана более узкополосная цепь, т.е. шунтирующий резистор отключен). Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы: а) входного сигнала; б) выходного сигнала при расстройке, соответствующей наиболее заметным искажениям (f0fр+Пf/2 или f0fр−Пf/2); в) выходного сигнала при настройке (f0=fр) (настройку удобно проконтролировать по спектру измеряемого выходного сигнала).
3. Изучение влияния частоты модуляции на параметры
выходного АМ-сигнала
В режиме настройки (f0=fр) изменяйте частоту модуляции и обратите внимание на изменение коэффициента модуляции Mвых и начальной фазы огибающей Ψ выходного АМ-сигнала.
Для трех значений частоты модуляции (F=Пf/4, F=Пf/2, F=Пf) с помощью курсоров измерьте Vмакс, Vмин и t0 (момент времени, когда V(t0) = Vмакс), а по ним определите параметры выходного сигнала:
Мвых = (Vмакс−Vмин) / (Vмакс+Vмин); Ψ(°) = −360Ft0.
Измеренные таким способом значения Мвых и Ψ внесите в таблицу и сравните с расчетными.
4. Изучение искажений передаваемого сигнала
при сложном законе модуляции
Сформируйте АМ-сигнал с более сложным законом модуляции:
u(t) = Uнес (1 + Mвх.1 cos (Ωt+Φ1) + Mвх.3 cos (3Ωt+Φ3)) cos (ω0t+φ0),
где Мвх.1=Мвх.3=0,5, F≈Пf /2, f0=fр.
Обратите внимание на искажения передаваемого сигнала, а затем, не изменяя частоты модуляции, шунтируйте резистор Rг (тем же резистором, что и в п.1) и наблюдайте влияние полосы пропускания цепи на эти искажения. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы: а) входного сигнала; б) сигнала на выходе исходной цепи (без шунта); в) сигнала на выходе цепи с расширенной полосой пропускания (с шунтом).
После этого шунтирующий резистор временно отключите.
5. Изучение искажений передаваемого сигнала
при импульсной амплитудной модуляции
Сформируйте сигнал в виде периодической последовательности радиоимпульсов с прямоугольной огибающей:
u(t) = Uи (σ(t) − σ(t−Tи)) cos (ω0t+φ0),
где Uи=1 В, Ти≈2/Пf (Пf – полоса пропускания более узкополосной цепи), период Т=4 мс. Подберите удобные пределы отображения.
Обратите внимание на искажения передаваемого сигнала (фронтов импульса), а затем, изменяя несущую частоту и шунтируя резистор Rг, наблюдайте влияние расстройки и полосы пропускания цепи на эти искажения. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы входного и выходного сигналов для двух наиболее характерных случаев (на ваш выбор).
Контрольные вопросы
1. Изобразите спектрограмму амплитудно-модулированного сигнала при гармоническом законе модуляции.
2. Как по спектрограмме АМ-сигнала найти его осциллограмму?
3. Сравните спектрограммы и осциллограммы АМ-сигнала на входе и выходе одноконтурной резонансной цепи (несущая частота сигнала равна резонансной частоте цепи).
4. Как зависит коэффициент модуляции выходного сигнала от частоты модуляции? От добротности контура?
5. Как зависит время задержки огибающей выходного сигнала от частоты модуляции? От добротности контура?
6. Изобразите спектрограмму выходного сигнала для случая, когда несущая частота сигнала не равна резонансной частоте цепи. Будет ли искажена огибающая выходного сигнала?
7. На входе резонансной цепи действует колебание, модулированное по амплитуде некоторым полезным сигналом. Увеличатся или уменьшатся искажения сигнала на выходе цепи при увеличении добротности контура?
8. Почему при радиоприеме добротность полосно-пропускаю щего фильтра не должна быть слишком большой? Слишком малой?
__________
Лабораторная работа № 4
НЕЛИНЕЙНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ СИГНАЛОВ
Цель работы — на примере нелинейного резонансного усиления освоить методику спектрального анализа прохождения радиосигналов через линейные и нелинейные цепи.
Изучаются следующие основные во просы:
1) резонансный усилитель сильных сигналов как нелинейная цепь с фильтрацией первой гармоники; 2) понятие колебательной характеристики резонансного усилителя; 3) влияние параметров резонансного усилителя на его колебательную характеристику; 4) методика анализа нелинейных искажений при резонансном усилении сильного АМ-сигнала; 5) искажения передаваемого сигнала при различных соотношениях между параметрами сигнала и усилителя.
Домашнее задание
Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебник [1] (§§ 11.1÷11.3), учебные пособия [2÷4] и конспект лекций.
1. Изобразите схему одноконтурного транзисторного резонансного усилителя. На схеме укажите стрелками входное и выходное напряжения.
2. Выпишите теоретические формулы, описывающие колебательную характеристику резонансного усилителя (зависимость амплитуды выходного напряжения Vm от амплитуды входного напряжения Um) при аппроксимации характеристики транзистора кусочно-линейной функцией
i = f (u) (u–uн) S (u–uн).
3. Выпишите теоретические формулы, описывающие колебательные характеристики резонансного усилителя и резонансного удвоителя частоты для частного случая, когда u0=uн.
4. Изобразите характер семейства колебательных характеристик усилителя при различных значениях напряжения смещения u0. На рисунке укажите характерные значения Vm и Um.
5. Изобразите характер осциллограмм напряжения на выходе резонанс ного усилителя v(t) при подаче на его вход амплитудно-модулированного напряжения u(t) (с коэффициентом модуляции около 0,8) для четырех слу чаев:
Лабораторное задание
В лабораторном исследовании используется транзисторный резонансный усилитель, имеющийся в лабораторном стенде (крутизна транзистора S=1,5 мА/В).
Подготовка установки к работе
Подключите к усилителю генераторно-измерительную систему: генера торный выход системы — к входу усилителя (гнездо «U1»), измерительный вход системы — к выходу усилителя (гнездо «U2»). Включите лабораторный стенд и питание транзисторного усилителя (кнопка «Вкл» на стенде).
Включите генераторно-измеритель ную систему (ее ярлык — на рабочем столе).
1. Измерение амплитудно-частотной характеристики
резонансного усилителя в линейном режиме
Установите режим измерения амплитудно-частотных характеристик цепей. Задайте параметры входного сигнала, соответствующие линейному режиму работы усилителя (u0=700 мВ, Um=50 мВ). Включите отобра жение измеряемой АЧХ и запустите автоматическое измерение АЧХ. Подберите удобные пределы измерений (выделите область резонанса) и удобный шаг измерений. Зарисуйте измеренную АЧХ.
Здесь и далее на зарисованных графиках должны быть приведены шкалы значений измеряемых величин и указаны условия эксперимента.
Включите отобра жение расчетной АЧХ. Из набора математических моделей цепи выберите одноконтурную резонансную цепь (пункт «Контур парал»). Методом подбора параметров модели, дающих хорошую аппроксимацию измеренной АЧХ, измерьте параметры резонансного усилителя (kр, fр, Q, Пf =fр/Q).
2. Изучение нелинейного резонансного усиления
гармонического сигнала
Переключите генераторно-измерительную систему в режим измерения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров). Включите отобра жение генерируемого и измеряемого сигналов.
Сформируйте гармонический сигнал:
u(t) = u0 + Um cos (ω0t),
где u0=500 мВ, Um=400 мВ, f0=fр (c точностью 0,25 кГц). Подберите удобные пределы отображения по времени (2÷3 периода) и по частоте (от 0 до 4f0).
Для наблюдения осциллограмм коллекторного тока переключите измеритель с выхода усилителя на специальный «токовый» выход (гнездо «Iэ»). Изменяя напряжение смещения u0, наблюдайте изменение импульсов коллекторного тока. Подберите смещение так, чтобы угол отсечки был примерно равен 90о. Запишите значение u0.
Снова подключите измеритель к выходу усилителя (гнездо «U2»). Изменяя амплитуду входного напряжения Um, наблюдайте изменение амплитуды выходного напряжения Vm. Подберите амплитуду Um=0,8Um.кр (при Um>Um.кр она практически перестает влиять на Vm).
Для установленного режима зарисуйте осциллограммы и спектрограммы входного напряжения, а под ними — осциллограммы и спектрограммы коллекторного тока и выходного напряжения. Определите и запишите коэффициент передачи резонансного усилителя в «недонапряженном» режиме kр1=Vm/Um.
3. Изучение удвоения частоты гармонического сигнала
Уменьшите частоту гармонического сигнала вдвое (f0=fр /2) и повторите зарисовку осциллограмм и спектрограмм напряжений и тока. Определите коэффициент передачи удвоителя частоты kр2=Vm2/Um и сравните его с коэффициентом передачи резонансного усилителя kр1 (измеренным в п.2).
4. Изучение колебательных характеристик резонансного усилителя
Переключите генераторно-измерительную систему в режим измерения колебательных характеристик нелинейных цепей. Задайте постоянное смещение u0, подобранное в п.2, и частоту f0=fр. Включите отобра жение измеряемой характеристики и запустите автоматическое измерение колебательной характеристики. Подберите удобные пределы измерений (примерно 0<Um<2Um.кр) и удобный шаг измерений.
Коррекцией смещения добейтесь максимальной линейности начального участка колебательной характеристики (запишите скорректированное смещение). Зарисуйте измеренную колебательную характеристику.
Включите отобра жение расчетной колебательной характеристики. Методом подбора параметров математической модели, дающих наилучшую аппроксимацию измеренной характеристики, измерьте параметры резонансного усилителя («напряжение начала» характеристики транзистора uн и уточненный коэффициент передачи усилителя в «недонапряженном» режиме kр=dVm/dUm=SRр/2).
Изменяя напряжение смещения, наблюдайте его влияние на колебательную характеристику. Зарисуйте измеренные колебательные характеристики еще при двух значениях напряжения смещения, отличающихся от исходного на 0,2 В в каждую сторону (новые характеристики нанесите на ранее построенный график).
5. Изучение нелинейного резонансного усиления АМ-сигнала
Вернитесь в режим измерения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров). Включите отобра жение генерируемого и измеряемого сигналов.
Сформируйте АМ-сигнал с гармоническим законом модуляции:
u(t) = u0 + Uнес (1 + M cos (Ωt+Φ)) cos (ω0t),
где u0 — выбранное в п.4 смещение, Uнес=Um.кр/2, М=0,8, F=0,5 кГц, f0=fр (c точностью 0,25 кГц). Подберите удобные пределы отображения по времени (2÷3 периода модуляции) и по частоте (в пределах f0±4F).
Убедитесь в отсутствии искажений выходного сигнала. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы «неискаженного» выходного сигнала.
6. Изучение нелинейных искажений при резонансном усилении
АМ-сигнала
Отклоняясь от установленного в п.5 «оптимального» режима (изменяя u0 и Uнес), наблюдайте возникающие при этом искажения передаваемого сигнала. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы искаженных выходных сигналов для трех наиболее характерных случаев (аналогично п.5 домашнего задания).
Контрольные вопросы
1. Что такое колебательная характеристика резонансного усилителя?
2. Как рассчитать колебательную характеристику резонансного усили теля, если характеристика транзистора аппроксимирована кусочно-линей ной функцией? Степенным полиномом?
3. Какой вид имеет семейство колебательных характеристик для различных напряжений смещения?
4. Что такое недонапряженный режим? Перенапряженный режим? Критический режим? Какой вид имеют осциллограммы коллекторного тока в недонапряженном и перенапряженном режимах?
5. Как изменится семейство колебательных характеристик резонансного усилителя, если изменить напряжение источника коллекторного питания? Резонансное сопротивление контура?
6. Как следует выбирать параметры контура и режим работы резонансного усилителя для обеспечения неискаженного усиления амплитудно-модулированных колебаний? Изобразите осциллограммы напряжения на базе, коллекторного тока и напряжения на контуре при работе в этом режиме.
7. Резонансный усилитель работает в режиме неискаженного усиления амплитудно-модулированных колебаний. Как изменится осциллограмма выходного напряжения, если изменить амплитуду несущей входного напряжения? Смещение? Напряжение источника коллекторного питания? Резонансное сопротивление контура?
__________
Лабораторная работа № 6
АМПЛИТУДНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ
ДИОДНЫМ ДЕТЕКТОРОМ
Цель работы — на примере амплитудного детектирования освоить методику спектрального анализа прохождения радиосигналов через линейные и нелинейные цепи.
Изучаются следующие основные вопросы:
1) понятие амплитудного детектирования сигналов; 2) процесс амплитудного детектирования сигналов диодным детектором (качественное описание); 3) понятие детекторной характеристики; 4) вид детекторной характеристики диодного детектора при сильных и слабых сигналах; 5) нелинейные искажения при амплитудном детектировании; 6) искажения при амплитудном детектировании из-за неоптимальности линейного НЧ-фильтра.
Домашнее задание
Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебник [1] (§ 11.5), учебные пособия [2÷4] и конспект лекций.
1. Изобразите схему последовательного диодного детектора (нагрузка включена последовательно с диодом). На схеме укажите стрелками входное и выходное напряжения.
2. Изобразите характер осциллограмм, поясняющих работу рассматриваемого детектора в режиме детектирования немодулированного сигнала. При этом для каждого из нижеуказанных случаев изобразите осциллограмму немодулированного входного напряжения u(t) и — на том же графике — ожидаемую осциллограмму выходного напряжения v(t).
Рассмотрите следующие случаи:
3. Выпишите формулы для расчета детекторной характеристики v0(Um) и коэффициента детектирования kд диодного детектора при сильных сигналах.
4. Изобразите характер:
5. Изобразите характер осциллограмм входного u(t) и выходного v(t) напряжений при подаче на вход детектора амплитудно-модулированного напряжения (с коэффициентом модуляции около 0,8) для трех случаев:
Лабораторное задание
Подготовка установки к работе
Соберите последовательный диодный детектор (сопротивление нагрузки R≈10 кОм, емкость нагрузки С≈5 нФ). Подключите к детектору генераторно-измери тельную систему: генераторный выход системы — к входу детектора, а измерительный вход системы — к выходу детектора.
Запустите генераторно-измеритель ную систему (ее ярлык — на рабочем столе). Установите режим изу чения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров).
Включите отобра жение расчетного входного сигнала и сформируйте гармонический сигнал:
u(t) = u0 + Um cos (ω0t),
где u0=0, Um=5 В, f0=10 кГц («точность» 0,5 кГц). Установите удобные пределы отображения (примерно ± 100 мкс по времени и 0÷10 кГц по частоте).
Включите отобра жение реального генерируемого сигнала. Проверьте, что у генерируемого напряжения действительно u0=0 и Um=5 В. Если это не так, то выполните сервисную программу «калибровка». После этого отобра жение расчетного входного сигнала можно отключить.
Включите отобра жение реального измеряемого сигнала. Убедитесь, что наблюдаемое семейство осциллограмм входного u(t) и выходного v(t) напряжений качественно соответствует ожидаемому.
1. Изучение влияния емкости нагрузки на процесс детектирования
Подключая параллельно резистору различные конденсаторы (в порядке увеличения емкости), наблюдайте влияние емкости нагрузки C на выходной сигнал. Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы входного и выходного напряжений для трех характерных случаев:
Здесь и далее на зарисованных графиках должны быть приведены шкалы значений измеряемых величин и указаны условия эксперимента.
Оставив в схеме конденсатор с максимальной емкостью, увеличьте час тоту гармонического сигнала до 200 кГц. Установите новые пределы ото бражения: примерно ± 1 мс по времени (при этом осциллограмма вход ного напряжения «сжимается» в сплошную полосу) и 0÷500 кГц по час тоте. Отключив и снова подключив конденсатор нагрузки, обратите вни мание, как теперь выглядят на осциллограмме неотфильтрованные ВЧ-со ставляющие выходного напряжения.
Дальше работайте в новом режиме отображения.
2. Изучение влияния сопротивления нагрузки
на эффективность детектирования
Проверьте, что реальный генерируемый сигнал не имеет постоянной составляющей (при необходимости повторите «калибровку»).
С помощью курсоров измерьте амплитуду Um гармонического входного напряжения и значение v0 постоянного выходного напряжения. Заменяя резистор нагрузки (увеличивая и уменьшая R на порядок), повторите измерения v0. Результаты сведите в таблицу.
Образец таблицы
|
R, кОм |
Um, В |
v0, В |
kд |
3. Изучение детекторной характеристики
и измерение коэффициента детектирования
Оставьте в схеме детектора исходный резистор (R≈10 кОм) (два других резистора вам еще потребуются). Переключите генераторно-измеритель ную систему в режим изучения детекторных характеристик нелинейных цепей. Введите параметры входного сигнала (u0=0, f0=200 кГц).
Включите отобра жение измеряемой характеристики и запустите автоматическое измерение детекторной характеристики. Установите удобные пределы измерений (примерно 0<Um<5 В) и подберите удобный шаг измерений. Зарисуйте измеренную детекторную характеристику.
Включите отобра жение расчетной характеристики (рассчитанной по приближенной математической модели детектора для сильных сигналов):
v0(Um) = (u0+Um−uн) kд (u0+Um−uн), где u0≤uн.
Методом подбора параметров модели, дающих хорошую аппроксимацию измеренной характеристики, измерьте коэффициент детектирования kд.
Заменяя резистор нагрузки (увеличивая и уменьшая R на порядок), повторите измерения детекторной характеристики и коэффициента детектирования. (Новые характеристики нанесите на ранее построенный график, измеренные значения kд добавьте в таблицу п.2).
Оставьте в схеме детектора исходный резистор (R≈10 кОм). Уменьшите пределы измерений (примерно до 0<Um<0,5 В) и подберите новый шаг измерений. Измерьте и зарисуйте начальный участок детекторной характеристики.
4. Изучение влияния полосы пропускания НЧ-фильтра
на детектирование АМ-сиг налов
Вернитесь в режим измерения характеристик сигналов (осциллограмм и спектров).
Включите отобра жение генерируемого и измеряемого сигналов. Сформируйте АМ-сигнал с гармоническим законом модуляции:
u(t) = u0 + Uнес (1 + M cos (Ωt)) cos (ω0t),
где u0=0, Uнес=2,5 В, М=0,8, F=0,5 кГц, f0=200 кГц («точность» 0,5 кГц). Установите удобные пределы отображения (2÷3 периода модуляции по времени и 0500 кГц по частоте).
Отключив конденсатор нагрузки, наблюдайте неотфильтрованные ВЧ-составляющие выходного сигнала. Подключая различные конденсаторы нагрузки (в порядке увеличения емкости), обратите внимание на улучшение фильтрации выходного сигнала от ВЧ-составляющих, а при чрезмерно большой емкости — на появление искажений передаваемого сигнала.
Зарисуйте осциллограммы и спектрограммы входного и выходного сигналов для трех характерных случаев (на спектрограммах покажите только участки 02 кГц и 200±2 кГц): 1) при отключенном конденсаторе (С=Сп); 2) при «оптимальной» емкости нагрузки (С=Сопт); 3) при чрезмерно большой емкости (С>Сопт).
5. Изучение нелинейных искажений при детектировании
АМ-сиг налов
Оставьте в схеме выбранный «оптимальный» конденсатор. Уменьшите пределы отображения спектра сигнала (до 0< f <2 кГц).
Уменьшите амплитуду несущей входного сигнала до 0,25 В и увеличьте коэффициент модуляции до 1,0. Обратите внимание на нелинейные искажения передаваемого сигнала в этом режиме.
Зарисуйте осциллограммы входного и выход ного сигналов и спектрограмму выходного сигнала (в низкочас тотном диапазоне 0÷2 кГц) для режима с нелинейными искажениями.
Контрольные вопросы
1. Изобразите схему последовательного диодного детектора.
2. Что такое детекторная характеристика?
3. Как рассчитать детекторную характеристику диодного детектора, если характеристика диода аппроксимирована кусочно-линейной функцией (uн=0)?
4. Какой вид имеет детекторная характеристика диодного детектора?
5. Что такое коэффициент детектирования? От чего зависит коэффициент детектирования диодного детектора?
6. Как следует выбирать параметры нагрузки и режим работы диодного детектора для обеспечения неискаженного и достаточно эффективного детектирования амплитудно-модулированных колебаний? Изобразите осциллограммы и спектрограммы входного напряжения, тока диода и выходного напряжения при работе в этом режиме.
7. Диодный детектор работает в режиме неискаженного детектирования амплитудно-модулированных колебаний. Как изменится осциллограмма выходного напряжения, если существенно уменьшить амплитуду несущей входного напряжения?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2003.
2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Руководство к решению задач. – М.: Высшая школа, 1987.
3. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Радио и связь, 1994.
4. Карташев В.Г., Жихарева Г.В. Основы теории сигналов. – М.: Издательство МЭИ, 2002.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Многофункциональная лабораторная установка для изучения
радиотехнических цепей и сигналов . . . . . . . . . . 3
Лабораторный стенд «Сигнал-1» . . . . . . . . . . . . 4
Компьютерная генераторно-измерительная система . . . . . 5
Правила выполнения лабораторных работ в лаборатории РЦС . . 6
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ . . . . . . . . . . . . . . 7
Лабораторная работа № 1.
Спектры периодических сигналов . . . . . . . . . . 8
Лабораторная работа № 3.
Прохождение амплитудно-модулированных сигналов
через резонансную цепь . . . . . . . . . . . . . . 11
Лабораторная работа № 4.
Нелинейное резонансное усиление сигналов . . . . . . . 15
Лабораторная работа № 6.
Амплитудное детектирование сигналов диодным детектором . 19
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК . . . . . . . . . . . 24
лок кнопок ручного управления курсором
Кнопка «привязки» курсора к кривым графика
Редактор изображения курсора
Абсцисса центра курсора
Ордината центра курсора
Номер курсора
Кнопка активизации курсора
Кнопки автомасштабирования по оси Х и оси Y
Кнопки изменения формата, точности и масштаба по оси Х и оси Y
Кнопка изменения масштаба отображения
Кнопка передвижения поля графика
Кнопка перемещения курсоров указателем мыши