Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Южно - Уральский государственный Университет

факультет ПС

кафедра ЦРТС

ЗАДАНИЕ

по курсовой работе

студенту группы ПС-206 Рождественскому А.В.

1.Тема работы: «Исследование и анализ линейных динамических цепей»

2.Срок сдачи работы ____________________________

3.Исходные данные к работе: вариант №32

4.Содержание расчетно-пояснительной записки:

    составление схемы цепи, нахождение комплексной функции передачи,

    составление карты полюсов и нолей, расчет крутизны среза Sср и времени

    задержки tз ,исследование во временной области h(t), g(t)

5.Перечень графического материала

6.Дата выдачи задания___________________________

ПС-2007.32.000.ПЗ

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разработал

Рождественский

Исследование и анализ линейной динамической цепи

Литер

Лист

Листов

Проверил

Коровин В.М.

К

2

19

Т.контроль

ЮУрГУ

Кафедра ЦРТС

Н.контроль

Утвердил

                                                         Руководитель:

                                                                В.М. Коровин

                                                        Задание принял к

                                                        исполнению:                                                           подпись студента:

                                                         _______________

Аннотация

              Порядок, объем, и содержание выполненной работы определены в учебном пособии к курсовой работе. В данной работе проведено комплексное исследование параметров полосозадерживающего фильтра второго порядка,      составлена схема цепи, вычислена комплексная функция передачи, составлена карта полюсов и нолей, рассчитана крутизна среза Sср и время задержки tз, также проведено исследование во временной области h(t), g(t).

              В ходе расчета использовались следующие программные продукты: Matlab 6.0, Micro-Cap 7.0.

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

3

Содержание:

Введение.............................................................................................................

1.  Составление схемы цепи.........................................................................
2.  Нахождение комплексной функции передачи  ........................
3.  Составление карты полюсов и нолей ....................................................
4.  Расчет параметров схемы........................................................................

4.1   Построение графических зависимостей ЛАЧХ и ФЧХ...............

    4.2   Расчет крутизны среза Sср и времени задержки tз.........................

5.  Исследование во временной области h(t), g(t)......................................

Заключение........................................................................................................

Приложение 1. Задание на работу...................................................................

Список литературы...........................................................................................

5

6

7

8

9

9

13

14

17

18

19

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

4

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе мы изучаем свойства электрических фильтров. Они применяются для выделения или подавления определенных колебаний, разделения каналов, формирования спектра сигналов. Электрические фильтры входят в состав многоканальных и радиорелейных систем передачи, измерительной аппаратуры, в каскады радиопередатчиков и радиоприемников и т. п.

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, пропускающий без ослабления или с малым ослаблением колебания определенных частот и пропускающий с большим ослаблением колебания других частот.

Полоса частот, в которой ослабление мало, называется полосой пропускания. Полоса частот, в которой ослабление велико, называется полосой непропускания (задерживания). Между этими полосами находится переходная область.

По расположению на шкале частот полосы пропускания различают следующие фильтры:

- нижних частот (ФНЧ), в которых полоса пропускания располагается на шкале частот от ω = 0 до некоторой граничной частоты ω = ωп , а полоса непропускания (задерживания) — от частоты ω = ωз до бесконечно больших частот (рис.1,а);

- верхних частот (ФВЧ) с полосой пропускания от частоты ω = ωп до бесконечно больших частот и полосой непропускания от частоты ω = 0 до ω = ωз (рис. 1,б);

- полосовые (ПФ), в которые полоса пропускания (ωп1...ωп2 располагается между полосами непропускания 0... ωз1 и ωз2... ∞ (рис. 1,в);

- заграждающие (режекторные) (ЗФ или РФ), в которых между полосами пропускания 0... ωп1 и ωп2... ∞ находится полоса непропускания ωз1...ωз2 (рис.1, г);

- многополосные, имеющие несколько полос пропускания.

В соответствии с используемой элементной базой к настоящему моменту выделились несколько классов фильтров:

- резистивно-емкостные RC – фильтры;

- реактивные LC – фильтры;   

- активные А – фильтры;

- цифровые фильтры.

Рис 1. Разновидности фильтров

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

5

1.СТАВЛЕНИЕ СХЕМЫ ЦЕПИ

Руководствуясь данными из табл. 1 (см. приложение 1. Задание на работу),

составляем схему фильтра, принимая в ней узел «0» за базисный.

Рис.2 Схема фильтра

По схеме составим систему уравнений по методу узловых напряжений:

а) составим матрицу проводимостей:

 б) составим вектор узловых задающих токов источников:

 г) запишем уравнение узловых напряжений Gyuy = iy   (1),

где

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

6

2. НАХОЖДЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ФУНКЦИИ ПЕРЕДАЧИ

Комплексную функцию передачи   найдем с помощью метода узловых напряжений. При указанной на рисунке 2 нумерации узлов передаточная функция выражается как:

Напряжение  определим из уравнения узловых напряжений (1).

Разрешая систему узловых уравнений относительно , найдём представление для передаточной функции:

Подставим  в последнее выражение комплексные проводимости элементов, явно выраженные в виде функции :

Упростим запись по средствам замены:

Тогда функция передачи   примет вид:

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

7

3.СОСТАВЛЕНИЕ КАРТЫ ПОЛЮСОВ И НОЛЕЙ.

а) ноли функции  получаются путем решения полинома числителя:

б) полюса функции получаются путем решения полинома знаменателя:

В силу сложности полиномов полюсов и нолей их решение производим в среде MATLAB 6.0.

По полученным значениям построим карту полюсов и нулей при нормированном значении частоты :

Рис 3. Карта полюсов и нолей.

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

8

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ

4.1 ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ЛАЧХ И ФЧХ

а) Построение ЛАЧХ

Таблица 2. Данные ЛАЧХ

3,0

0,833

-1,58

5,6

0,806

-1,88

3,1

0,833

-1,58

5,7

0,780

-2,16

3,2

0,833

-1,58

5,8

0,712

-2,95

3,3

0,833

-1,58

5,9

0,481

-6,35

3,4

0,833

-1,58

6,0

1,248E-07

-138,08

3,5

0,833

-1,58

6,1

0,481

-6,36

3,6

0,833

-1,58

6,2

0,712

-2,95

3,7

0,833

-1,58

6,3

0,780

-2,16

3,8

0,833

-1,58

6,4

0,806

-1,88

3,9

0,833

-1,58

6,5

0,818

-1,75

4,0

0,833

-1,58

6,6

0,824

-1,68

4,1

0,833

-1,58

6,7

0,828

-1,64

4,2

0,833

-1,58

6,8

0,830

-1,62

4,3

0,833

-1,58

6,9

0,831

-1,61

4,4

0,833

-1,58

7,0

0,832

-1,60

4,5

0,833

-1,58

7,1

0,833

-1,59

4,6

0,833

-1,59

7,2

0,833

-1,59

4,7

0,833

-1,59

7,3

0,833

-1,59

4,8

0,833

-1,59

7,4

0,833

-1,59

4,9

0,833

-1,59

7,5

0,833

-1,58

5,0

0,832

-1,60

7,6

0,833

-1,58

5,1

0,831

-1,61

7,7

0,833

-1,58

5,2

0,830

-1,62

7,8

0,833

-1,58

5,3

0,828

-1,64

7,9

0,833

-1,58

5,4

0,824

-1,68

8,0

0,833

-1,58

5,5

0,818

-1,75

График ЛАЧХ строим при изменении   см. Рис.4 График ЛАЧХ

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

9

Рис.4 график ЛАЧХ

б) Построение ФЧХ:

Таблица 3. Данные ФЧХ

3,0

-0,05

4,0

-0,46

5,0

-4,61

6,0

-179,96

7,0

4,61

3,1

-0,06

4,1

-0,57

5,1

-5,84

6,1

82,19

7,1

3,65

3,2

-0,07

4,2

-0,72

5,2

-7,41

6,2

45,59

7,2

2,89

3,3

-0,09

4,3

-0,91

5,3

-9,47

6,3

29,95

7,3

2,29

3,4

-0,11

4,4

-1,15

5,4

-12,20

6,4

21,38

7,4

1,82

3,5

-0,14

4,5

-1,45

5,5

-15,95

6,5

15,95

7,5

1,45

3,6

-0,18

4,6

-1,82

5,6

-21,38

6,6

12,20

7,6

1,15

3,7

-0,23

4,7

-2,29

5,7

-29,93

6,7

9,47

7,7

0,91

3,8

-0,29

4,8

-2,89

5,8

-45,56

6,8

7,42

7,8

0,72

3,9

-0,36

4,9

-3,65

5,9

-82,13

6,9

5,84

7,9

0,58

График ФЧХ строим при изменении   см. Рис.5 График ФЧХ. Построение графиков проводилось в среде MATLAB 6.0.

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

10

Рис.5 График ФЧХ

Разрывность графика объясняется тем, что на резонансной частоте происходит изменение реакции цепи с индуктивной на емкостную.

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

11

4.2  РАСЧЕТ КРУТИЗНЫ СРЕЗА Sср И ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ tз.

4.2.1  РАСЧЕТ КРУТИЗНЫ РЕЗА.

Расчет крутизны среза проведем графическим способом:

Рис.5 График расчет крутизны среза

построим  график ЛАЧХ в среде Micro Cap в диапазоне  значение  выберем в таком диапазоне, чтобы функция апроксимировалась линейной зависимостью и проведем измерения средствами Micro Cap. Функция в точке  имеет бесконечное ослабление коэффициента передачи. Изменение частоты в 1,0053 раза   соответствует затухание в 10 Дб, следовательно:

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

12

4.2.2 РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ tз.

Время задержки   находится как производная от функции , где

по . Нахождение аналитического выражения tз затруднено вследствие большого числа математических выкладок.  Найдем tз численным методом в среде MATLAB 6.0.

100

200

300

400

500

600

700

800

900

950

tз,мс

0,05

0,05

0,06

0,07

0,10

0,13

0,20

0,33

0,50

0,10

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

13

5.ИССЛЕДОВАНИЕ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ h(t), g(t)

Переходная характеристика h(t) – реакция цепи на воздействие единичной ступенчатой функции  определение переходной характеристики сводится к анализу цепи с нулевыми начальными условиями при подключении к источнику постоянного напряжения.

Импульсная характеристика g(t) – реакция цепи на воздействие единичной импульсной функции.

Определим в данной работе переходную и импульсную характеристику методом обратного преобразования Лапласа.

Запишем операторное изображение реакции цепи на внешнее воздействие:

Запишем характеристики h(t), g(t) при t0 = 0:

По известной функции передачи с помощью обратного преобразования Лапласа найдем переходную и импульсную характеристику:

,

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

14

где  и

Взятие интегралов h(t), g(t) затруднено в следствии того что корни цепи являются комплексно-сопряженными, поэтому воспользуемся теоремой разложения

Тогда воздействие от единичной ступенчатой функции h(t) без начальных условий опишется следующей зависимостью:

,

где  корни знаменателя  и вычеты в соответствующих точках . График зависимости h(t) см. на Рис.6 График переходной характеристики h(t).

Воздействие от импульсной функции g(t) без начальных условий опишется следующей зависимостью: ,

где  корни знаменателя  и вычеты в соответствующих точках. График зависимости g(t) см. на Рис.7 График импульсной характеристики g(t).

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

15

Рис.6 График переходной характеристики h(t)

Рис.7 График импульсной характеристики g(t)

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнив данную работу мы провели комплексное исследование полосозадерживающего фильтра второго порядка и определили его основные характеристики: по данным карты полюсов и нулей функция цепи является асимптотически устойчивой. Данный фильтр обладает высокой избирательностью и большой крутизной среза в полосе задержания  . Фаза на частоте  инвертируется вследствие того, что на резонансной частоте происходит изменение реакции цепи с индуктивной на емкостную. Определили вид и время протекания (около 0,4 мс.) переходных процессов, вызванные воздействием единичной ступенчатой функции h(t) и импульсной функции g(t)  без начальных условий.

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

17

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

18

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Бакалов В.П. Основы теории электрических цепей и электроники. – М.: Радио и связь, 1989.

2.Лунц Г.Л Функции комплексного переменного. Операционное исчисление. – М.: Наука, 1964  

3.Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи. – М.: Высш. шк., 1990.

4.Новгородцев А.Б. Расчет электрических цепей в Matlab 6.0. – СПб.: Питер, 2004.

5.Попов В.П. Основы теории цепей. – М.: Высш. шк., 1985.

6.Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MC 7.0. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003.

ПС-2007.32.000.ПЗ

Лист

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

19