Лабораторные работы №№ 1, 3, 4, 6

 

 

Методическое пособие

по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы»

для студентов, обучающихся по направлению «Радиотехника»

 

 

Под редакцией В.Г. Карташева

 

Москва Издательский дом МЭИ 2007

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 ос­новных 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

Методическое пособие

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 ос­новных 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 ка­федрой основ радиотехники. В частности, прототипами приведенных ра­бот 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 анало­гичного назначения — в ней нет обычных генераторов и измерительных приборов, а их функции выполняет компьютерная генераторно-измери­тельная система.

Ниже приведены краткие описания установки и генераторно-изме­ри­тельной системы.

Многофункциональная лабораторная установка

для изучения радиотехнических цепей и сигналов

Лабораторная установка (рис.1) состоит из двух основных частей — лабора­торного стенда и персонального компьютера.

Изучаемая цепь собирается на лабораторном стенде из имеющегося в стенде и прилагаемого к нему набора схемотехнических элементов (рези­сторов, конденсаторов, индуктивных катушек и т.п.). В предлагаемых лабораторных работах используется универсальный лабо­раторный стенд «Сигнал-1». В нем имеется, в частности, универсальный транзисторный усилитель, используемый в работе № 4.

Входной сигнал формируется компьютерной гене­раторно-измеритель­ной системой. Он подается на цепь с генераторного выхода системы. Входной и выходной сигналы измеряются той же генераторно-измери­тельной 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

(краткое руководство для пользователя)

Компьютерная генераторно-измерительная система предназначена для изучения радиотехнических цепей и сигналов методами автоматизированного физического эксперимента и математического моделирования.

Форматирование графиков

Для управления графиками служит блок регуляторов (рис.3), расположенный под экраном справа.

Рис.3. Блок управления графиками

Регуляторы позволяют:

· выключатели автоформата (крайние слева) — включить или выключить непрерывное автоформатирование по каждой оси;

· кнопки «x» и «y» (если они «отжаты») — произвести одноразовое автоформатирование по соответствующей оси;

· «лупа» — изменить масштаб отображения. Из открывающегося меню можно выбрать варианты:

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;

· «захват рукой» — передвигать графики по экрану;

· «+» — захватить курсор указателем мыши и переместить его.

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), располо­женные под экраном:

Рис.4. Блоки управления курсорами

· посередине — блок кнопок «ручного» управления. Этими кнопками можно перемещать «активные» (отмеченные «■») курсоры;

· слева — редактор курсоров. В каждой строке имеет 6 позиций (слева направо):

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 соответст­вующего раздела курса (по учебнику или конспекту лекций) и выполнении до­машнего задания.

Отчет по домашнему заданию представляется каждым студентом индивиду­ально. Если отчет не представлен или выполнен неудовлетворительно, то сту­дент к лабораторной работе не допускается.

В процессе выполнения лабораторного задания студенты, как правило, за­рисовывают (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 усло­вия 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 индивиду­ально. Он должен содержать:

1) материалы домашней подго­товки;

2) исправление выявленных в них ошибок;

3) оформленные результаты выполнения лабораторного задания — указан­ные 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 индивиду­ально. 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 ос­новных понятий и методов спектрального анализа радиосигналов и их преобразования в линейных и нелинейных радиотехнических цепях.

Лабораторные занятия проводятся фронтальным методом. На выполне­ние каждой лабораторной работы отводятся 4 академических часа. До­машняя 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 T _и), так и частный случай (T =2 T _и).

3. Для периодического сигнала типа «меандр» (рис.5, T =2 T _и) и для соответствующей периодической последовательности треугольных импульсов (рис.6, T =2 T _и), задавшись конкретным значением амплитуды импульсов (U _и=1 В), рассчитайте и сведите в таблицу комплексные амплитуды гармоник U _n. 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											Сигнал
Un, В											«Меандр»
										«Треуг.»

 

4. Изобразите осциллограммы и характер спектрограмм периодической последовательности прямоугольных импульсов (U _и=1 В, Т _и=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-измеритель­ную 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 спектро­граммы сформированного сигнала.

Перейдите в режим одновременного измерения осциллограмм и спектров сигналов. Изменяя параметры сиг­нала (постоянную составляющую, амплитуду, частоту, началь­ную фазу), наблюдайте изменения ос­цил­лограммы 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 (U _и=1 В, T ₁= −250 мкс, T ₂=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