Спектральный анализ периодической последовательности прямоугольных импульсов и исследование процесса ее прохождения через колебательный контур

Информационные ресурсы дисциплины

 

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Методические указания к выполнению практических занятий

 

Санкт-Петербург

2010

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра радиотехники

 

 

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ

 

 

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

 

 

Информационные ресурсы дисциплины

 

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Методические указания к выполнению практических занятий

 

 

Институт радиоэлектроники

Специальность

210302.65 – радиотехника

 

Направление подготовки бакалавра

210300.62 - радиотехника

 

Санкт-Петербург

Издательство СЗТУ
2010

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 621.396.6:681.3

 

Радиотехнические цепи и сигналы: учебно-методический комплекс (информационные ресурсы дисциплины: методические указания к выполнению лабораторных работ, методические указания к выполнению практических занятий) / сост.: С.И. Малинин, В.С. Токарев. - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2010. - 82 с.

 

Данная методическая разработка соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования.

Методические указания к выполнению лабораторных работ, методические указания к выполнению практических занятий являются составной частью раздела «Информационные ресурсы дисциплины» учебно-методического комплекса и содержат описание лабораторных работ, методические указания к выполнению практических занятий, порядок их выполнения и требования к оформлению отчетов.

 

 

Рассмотрено на заседании кафедры радиотехники, 05.11.2009; одобрено методической комиссией Института радиоэлектроники 12.11.2009.

 

 

Рецензенты: кафедра радиотехники СЗТУ (зав. кафедрой Л.Я. Родос, канд. техн. наук, проф.); В.Д. Лиференко, д-р техн. наук, проф. кафедры промышленной электроники СЗТУ.

 

 

Составители: С.И. Малинин, канд. техн. наук, доц.,

                    В.С. Токарев, канд. техн. наук, доц.

 

 

 

 

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2010

© Малинин С.И.,Токарев В.С., 2010

Методические указания к выполнению лабораторных работ

 

Общие указания

В методических указаниях приведено описание двенадцати лабораторных работ для студентов специальности 210302.65 - радиотехника. Из них в первом семестре студенты выполняют четыре лабораторные работы и четыре – во втором.

Номера обязательных лабораторных работ приведены в п. 2.5.2 УМК. Однако по усмотрению преподавателя номера лабораторных работ могут быть изменены в соответствии с выбором студентов.

 К выполнению задания студенты допускаются только после проверки преподавателем их подготовленности. Для проведения лабораторных работ комплектуется бригада из 6-10 человек (по 2 студента на рабочее место).

Рабочее место представляет собой стол, на котором расположен исследуемый макет с подключаемыми приборами либо персональный компьютер (ПК). На одном рабочем месте может быть выполнена любая из лабораторных работ, поэтому порядок проведения занятий может быть произвольным.

Отчет о выполненных работах оформляется в тетради индивидуально каждым студентом. Экспериментальные и расчетные данные следует оформлять в виде таблиц, графиков и распечаток с принтера в соответствии с указаниями, приведенными в описаниях работ; графики и распечатки должны быть аккуратно вклеены в соответствующие места отчета. Кривые на графиках могут быть вычерчены тушью, карандашом или фломастером. На графиках и распечатках внизу должны быть приведены принятые обозначения и ссылки на таблицы, согласно которым построены кривые. Каждый пункт отчета, помимо таблиц и графиков, должен содержать краткое объяснение полученных результатов с выводом о проделанной работе.

Студенты, использующие ДОТ, могут оформить отчет по лабораторным работам на персональном компьютере и прикрепить его на учебный сайт СЗТУ в системе МООDLE или выслать его преподавателю для рецензирования на адрес электронной почты кафедры: radiotech@nwpi.ru.   

На обложке отчета следует указать название университета и кафедры; год; фамилию, имя, отчество студента; специальность; шифр; группу, а также название дисциплины, по которой выполнены лабораторные работы.

 

Охрана труда и ТБ

 

При выполнении работ должны соблюдаться правила техники безопасности при работе с электронными приборами и персональным компьютером. После окончания лабораторной работы студенты должны выключить все электронные приборы либо блоки ПК.

ДОТ

 

При выполнении лабораторных работ с использованием ДОТ реальные макеты заменяются имитационным моделированием на ПК. Студенты, использующие ДОТ, могут выполнять лабораторные работы самостоятельно на ПК с помощью системы схемотехнического моделирования Micro-Cap 7-9. Демонстрационную версию этой программы и ее описание можно получить свободно в сети Интернет. Файлы описания схем для лабораторных работ в формате системы Micro-Cap размещены на сайте ДОТ.

 

Библиографический список

     Основной:

1. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник/ С.И. Баскаков. – М.: Высш. шк., 2003.

 

     Дополнительный:

 

2. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник/ И.С. Гоноровский. – М.: Радио и связь, 1986.

 

 

Лабораторная работа 1

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЕЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЧЕРЕЗ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР

 

1. Цель работы

  Экспериментальные исследования амплитудных соотно­шений в спектре периодической последовательности прямо­угольных импульсов в зависимости от периода их следова­ния и длительности; исследование степени искажения им­пульсного сигнала при прохождении через колебательный контур с различным затуханием.

2. Основные теоретические положения

   Модуль спектральной плотности прямоугольного импульса определяется выражением

                                 

а форма огибающей амплитуды гармонических составляющих периодической последовательности импульсов подобна спек­тральной плотности.

Амплитуда п-й гармоники U_n и модуль спектральной плотности |S (Ω) | связаны зависимостью

                                      

Для прямоугольного импульса амплитуда гармоник опре­деляется выражением

              

 

 

и для q =2, q =4 показана на рис. 1.1, б, г.

         

                                                   Рис. 1.1

 

     При включении постоянного напряжения на колебатель­ный контур L, С и R возникает переходный процесс, который в зависимости от параметров схемы может иметь либо коле­бательный, либо апериодический характер. В случае выклю­чения постоянного напряжения (окончание импульса) возни­кает свободный разряд конденсатора, который может иметь колебательный (рис. 1.2,б) или апериодический (рис. 1.2,в)характер. Время установления t_y определяется интервалом, в течение которого амплитуда (величина) свободного коле­бания уменьшается в n раз.

                

                            Рис. 1.2                                                              Рис. 1.3

      При подаче на вход колебательного контура радиоим­пульса прямоугольной формы с частотой, равной собствен­ной частоте контура, амплитуда тока нарастает по экспонен­циальному закону  - затухание кон­тура. При выключении напряжения амплитуда уменьшается по закону Ue^-at (рис. 1.3). Увеличение добротности контура Q и соответственно уменьшение полосы частот2 Δf приводят к увеличению длительности фронта нарастания и спадания t_у=t_ф  импульса. В радиотехнических контурах, имеющих высокую доброт­ность, затухание α мало, а следовательно, постоянная вре­мени контура τ_к=1/α велика и в цепи контура имеют место колебательные явления. В этом случае время установления может быть определено по формуле

            

 

       Если принять n = 20, то получим t_y = 3/α =3τ_к, или, под­ставляя значение α и умножая числитель и знаменатель на ω_р≈ω₀, получим

             .

 

    Так как

Число колебаний, которое произойдет за время, равное времени установления, может быть рассчитано по формуле

            

 

3. Описание лабораторной установки

Работа выполняется при помощи двух лабораторных ма­кетов, схемы которых показаны на рис. 1.4, а и б, где приняты

  

                 

                                Рис. 1.4

 

 

обозначения: ГПИ— генератор прямоугольных импульсов; ЭО— электронный осциллограф; ЛВ— ламповый вольтметр; ИЧ—измеритель частоты; ГСС — генератор стандартных сигналов (высокочастотных синусоидальных колебаний); П — переключатель; L, С, С₁,...С₆ — элементы колебательных контуров (в схеме рис. 1.4, a L= 0,04 Гн); R — резистор, вклю­чаемый в контур для изменения добротности.

 

     

4. Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться со схемой рис. 1.4, а, предназначенной для спектрального анализа последовательности прямоугольных импульсов, и включить ЭО, ГПИ, ЛВ и ИЧ.

2. Измерить амплитуды гармонических составляющих пе­риодической последовательности прямоугольных импульсов (рис. 1.1, а) со скважностью q=T₁/τ=2. Для этого установить на макете рукоятку «Частота следования» ГПИ в положение 1000 Гц и подключить его к выходу ЭО; изменяя поло­жение рукоятки «Длительность» ГПИ, получить скважность импульса q =2; измерить амплитуду импульса. Подключить выход ГПИ к макету. Ламповый вольтметр подключить к колебательному контуру и записать его показания. Пере­ключатель П установить на частоту второй гармоники, про­верить частоту настройки по ИЧ и записать показания ЛB. Переключатель П установить на частоту третьей гармоники; проверить частоту настройки по ИЧ и записать показа­ния ЛB.

3. Измерить амплитуды гармонических составляющих пе­риодической последовательности импульсов со скважностью q =4 (рис. 1.1, в). Переключатель «Частота следования» ГПИ установить в положение 500 Гц. Установить переключатель П поочередно на первую, вторую, третью, четвертую и пятую гармоники. Каждый раз проверять настройку по ИЧ и запи­сывать показания ЛB.

4. Ознакомиться со схемой рис. 1.4, б, предназначенной для исследования процесса прохождения последовательности прямоугольных видео- и радиоимпульсов через одиночный колебательный контур.

5. Установить переключатель «Частота» в положение 1,6 кГц. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения контура для всех пяти положений переключения П. По масштабной сетке осциллографа измерить две соседние амплитуды U(t₁) и U{t₁ + T) свободного колебания, возни­кающие в контуре (рис. 1.2).

6. Исследовать прохождение радиоимпульса через коле­бательный контур.      Воздействие радиоимпульсов на контур можно рассматривать как включение и выключение синусои­дального напряжения в цепи контура (рис. 1.3). Для выпол­нения следует отключить генератор ГПИ от зажимов А, Б схемы (рис. 1.4) и подключить его к зажимам 3, М и «Внеш­няя модуляция» генератора ГСС, а выход 0—1 В последнего подключить к зажимам А,Б схемы (см. пунктирные линии на рис. 1.4, б); зарисовать осциллограммы выходного напряже­ния контура при тех же пяти положениях переключателя П.

 

  5. Содержание отчета

 

  1. Рассчитать амплитуды U_n частотных составляющих, полученных при измерениях U_cn, учитывая, что при резо­нансе Uc = U_L = QU, и изобразить две спектральные диа­граммы— одну для импульсов при скважности q = 2 и вто­рую при q=4. На этих же диаграммах следует изобразить теоретические величины амплитуд.

  2. При скважности q = 2определить номер гармоники, амплитуда которой равна 0,05 от максимальной, т. е. U_n= 0,05 U₁. Определить полосу частот, в которой сконцентри­рована основная часть энергии одиночного импульса, имею­щего длительность импульсов, исследуемых в работе.

  3. Изобразить спектральную диаграмму одиночного пря­моугольного импульса, длительность которого в 5 раз боль­ше длительности импульсов, исследуемых в работе.

  4. Рассчитать время установления t_y свободных колеба­ний и число колебаний N_K в случае воздействия видеоим­пульсов для всех значений R_доб.

  5. По полученным величинам t_y рассчитать постоянную времени контура τ_к для всех значений R _доб. в случае воздей­ствия видеоимпульсов.

  6. Определить постоянную времени, контура т_к, исходя из t_ф, полученных при прохождении радиоимпульсов, при за­данных значениях R _доб. Сравнить величины т_к, полученные разными путями.

 

Литература: [1], с.38- 43, 224-233; [2], с. 34—39, 232—238