Исследование импульсных электрических сигналов

Цель работы: Исследовать три вида сигнала(синусоидальный, прямоугольный, треугольный (трапециоидальный))

 

Теоретические сведения

Электрический импульс – это отклонение напряжения или тока от первоначального значения в течении короткого промежутка времени (менее времени переходных процессов в цепи). Различают видеоимпульсы и радиоимпульсы.

Рис. 1. Видеоимпульсы (а) и радиоимпульсы (б)

 

Видеоимпульс – это однополярные положительные или отрицательные отклонения напряжения или тока относительно уровня принятого за нулевой (Рис. 1.а).

Радиоимпульс – это серия высокочастотных колебаний, образующихся при воздействии низкочастотных колебаний на колебания высокой частоты, или иначе - видеоимпульс с ВЧ заполнением. (Рис. 1.б)

Теоретические рассмотрения обычно используют понятия «идеального импульса» определенной формы, не имеющего каких-либо отклонений от этой формы.

На практике приходится иметь дело с реальными импульсами (Рис.3.2), имеющими выброс на вершине с некоторым числом переколебаний и выброс после окончания импульса («послеимпульсный хвост»); конечную длительность фронта t_ф и конечную длительность спада t_сп. Длительность импульса обычно измеряют на уровне 0,5 от амплитудного значения.

 

Рис. 3.3. Параметры реального импульса

Отношение называют коэффициент заполнения импульс, а обратную величину - скважностью.

Импульсы со скважностью Q=2 называют меандром.

Если t_ф близко к нулю, то такой импульс называют «скачком».

Основная характеристика несинусоидальных сигналов, или сигналов сложной формы – их спектральная структура, дающая информацию об амплитудах и фазах отдельных гармоник, а также соответственно о «ширине спектра», о «спектре частот», занимаемой сигналом. Именно этот фактор используется для согласования сигнала с аппаратурой обработки информации: для исключения потерь информации ширина спектра сигнала не должна превышать полосы пропускания канала.

Представление сигнала в частотной области получают на основе математического анализа преобразования Фурье.

Пусть исследуемый сигнал определяется периодической функцией времени x(t), которая удовлетворяет условиям Дирехле (является кусочно-непрерывной в пределах Т, и в точках разрыва принимает ограниченные значения). Тогда периодическую функцию x(t) можно представить в виде ряда Фурье:

,

где

, ,

, (k=1,2,3...)

На практике число членов ряда ограничивают некоторым значением N, отбрасывая гармоники, доля энергии которых не превышает 5 – 10% всей энергии сигнала. Это ограничение определяет так называемую реальную или действующую ширину спектра сигнала.

 

Порядок выполнения работы

2.1. Лабораторная работа выполняется в среде Electronics WorkBench. Основное окно программы выглядит следующим образом:

 

Компонентная база среды Запуск моделирования

 

В процессе исследования Вам понадобятся 3 компонента

Генератор импульсов Осциллограф

Земля

 

Найдем нужные элементы на компонентной базе и построим следующую схему

Примечание: Элементы размещаются на рабочем столе среды с помощью клика левой кнопки мышки и одновременно с этим перитягивания компонентов на рабочий стол. Точка в цепи означает соединение. Если точки нет, следовательно нет и соединения компонента с цепью.

Собрав схему, двойным кликом открываем генератор импульсов и получаем следующую картинку

 

 

Изменение частоты, длительности импульса, амплитуды и смещения

 

Так же двойным кликом открывается и осциллограф он имеет два вида простой

Нажав Expand перейдем к расширенным опциям осциллографа

2.2. Задавая параметры импульсов (в соответствии стабл. 1) на вкладке генератора импульсов, измерить их с помощью осциллографа. Результаты занести в таблицу. Для каждого вида сигнала получить спектральную диаграмму с помощью моделирования разложения функции в ряд Фурье.

 

 

Выбираем данный пункт меню:

Настраиваем количество гармоник, частоту и нажимаем

 

Таблица 1

Вид сигнала	Заданные параметры	Измеренные параметры
Амплітуда, в	Смещение	Длительн.	Um, В	Т, с	f, Гц	τ, с	Q
Смнусоидальн.			50%
Треугольный			50%
Прямоуголь- ный			25%
50%
75%
	25%
50%
75%

 

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Выражение для ряда Фурье.

3. Результаты исследования: таблица с даннями измерений, осциллограммы и спектрограммы сигналов.

4. Выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы

 

1. Приведите формулы для расчета коэффициентов разложения Фурье и сформулируйте основные свойства преобразования Фурье.

2. Как определяется гармонический состав в случае непериодических сигналов?

3. Что такое “эффективная ширина спектра”.

4. Как зависит гармонический состав от длительности импульса. Изобразите амплитудную и фазовую спектрограмму одиночного импульса

Лабораторная работа № 4