Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»

Кафедра радиосвязи и радиовещания

Теория электрической связи

Лабораторный практикум для учащихся специальностей

2-45 01 02 - Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения

2-45 01 03 - Сети телекоммуникаций

Минск 2013

Составители

А. А. Гридасова, преподаватель первой категории кафедры радиосвязи и радиовещания;

М. А. Асаенок, преподаватель второй категории кафедры радиосвязи и радиовещания

Рецензент

И. И. Черная, доцент БГУИР, кандидат технических наук

Теория электрической связи : лабораторный практикум для учащихся специальностей 2-45 01 02 - Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения специализации 2-45 01 03 - Сети телекоммуникаций / сост. А. А. Гридасова, М. А. Асаенок. - Минск : УО ВГКС, 2013. - 56 с.

ISBN 978-985-7002-X-X.

Лабораторные работы посвящены изучению характеристик детерминированных сигналов, спектральному анализу сигналов, анализу отклика нелинейных цепей, изучению амплитудно-модулированных, частотно-модулированных, фазо-модулированных сигналов. Приведены цели, аппаратное обеспечение, вопросы для самопроверки, порядок выполнения, содержание отчета, литература и контрольные вопросы лабораторных работ. Методические указания составлены согласно типовой программе.

Предназначено для учащихся и преподавателей колледжа.

© Учреждение образования

«Высший государственный

колледж связи», 2013

Лабораторная работа №1

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Цель работы: освоить работу на персональном компьютере с программным обеспечением Electronics Workbench; измерить параметры детерминированных сигналов.

Подготовка к выполнению работы

1 Изучить по 1 параметры и характеристики сигналов.

2 Изучить по 2 теорию моделирования схем, элементную базу и характеристики виртуальных осциллографа, мультиметра, измерителя амплитудно-частотных характеристик программы Electronics Workbench.

3 Построить временную диаграмму кодовой комбинации первой буквы своей фамилии в международном телеграфном коде МТК-2, приведенном в приложении 1.

4 Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки

1 Составьте определение термина электрический сигнал.

2 Перечислите параметры и характеристики сигналов.

3 Что такое период и длительность сигнала?

4 Что такое амплитуда и размах сигнала?

5 Что такое первичные и вторичные сигналы?

6 Составьте определения терминов информация, сообщение, сигнал. В чем отличие между ними?

7 Какие формы представления сигналов Вы знаете?

8 Приведите классификацию сигналов по информативности и форме.

9 Приведите параметры цифрового сигнала.

10 Приведите классификацию сигналов по регулярности повторения и изменению во времени.

Аппаратное и программное обеспечение

1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).

2 Графический манипулятор мышь.

3 Программа Electronics Workbench 5.12.

Порядок выполнения работы

1 Ответить на вопросы программированного допуска.

2 Получить инструктаж по технике безопасности.

ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие заземления устройств.

3 Включить персональный компьютер. Наблюдать выход компьютера в операционную среду Windows.

4 Открыть программу Electronics Workbench 5.12, согласно каталогу D:\Work\EWB512\WEWB32.exe. Получить изображение стандартного окна программы.

5 Щелкнуть манипулятором мышь на изображение Instruments (см. рисунок 1.1). Нажать левую клавишу манипулятора мышь на изображении генератора (Function Generator). Перемещая манипулятор мышь по коврику, поместить генератор на белый лист рабочего поля, отпустить клавишу. Также переместить осциллограф (Oscilloscope) и условные графические обозначения заземления (см. рисунок 1.2).

Рисунок 1.1 - Элементы папки Instruments

Рисунок 1.2 - Элементы папки Sourсes

6 Измерить параметры детерминированных сигналов, для этого:

6.1 Собрать схему для проведения исследований согласно рисунку 1.3. Для этого соединить выход генератора со входом осциллографа. Для их соединения необходимо нажать левую клавишу манипулятора мышь в точке соединения в момент появления стрелки. Удерживая клавишу, перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпустить клавишу необходимо в момент появления другой точки в нужном месте соединения. Появляющаяся линия - подтверждение правильности соединения.

Рисунок 1.3 - Схема исследований

6.2 Щелкнуть два раза на изображение генератора на белом листе рабочего поля. Установить режим генерации гармонических (синусоидальных) колебаний, нажав на соответствующее изображение в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.

63 Установить частоту (frequency), амплитуду (amplitude), длительность импульса (duty cycle) и постоянную составляющую (offset) сигнала на выходе генератора с помощью клавиатуры и манипулятора мышь по варианту согласно таблице 1.1, изменяя эти данные в окошках напротив параметров в раскрывшемся окне лицевой 7панели генератора. Номер варианта соответствует номеру персонального компьютера.

Примечание: Длительность импульса (duty cycle) определяется в % как отношение длительности импульса к периоду следования импульсов (для сигналов импульсной формы!).

Таблица 1.1- Параметры сигналов

Номер варианта	F, Гц	Um, В	tu,%	Uuo (offset)
1	100	1	50	0
2	5000	20	20	1
3	200	13	25	2
4	2500	4	30	3
5	300	5,5	10	-1
6	3500	6	25	-2
7	400	15	10	-3
8	4500	8	15	0
9	500	1,9	45	1
10	550	2	55	-1
11	6000	11	60	-2
12	650	10	65	2
13	700	13	70	-3
14	10000	7,7	75	3
15	1500	3,5	80	0

6.4 Включить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение I включателя , расположенного в правом верхнем углу панели инструментов.

6.5 Щелкнуть два раза на изображение осциллографа, наблюдать временную диаграмму сигнала на экране осциллографа. Выключить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение 0 включателя.

6.6 Щелкнуть на изображение Expand на лицевой панели осциллографа. Наблюдать временную диаграмму сигнала на расширенном экране осциллографа (см. рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Лицевая панель осциллографа

1 - переключатель «Время на деление» (Time base) - отражает масштаб временнтй диаграммы по оси х (ось времени) - количество секунд (s), милисекунд (ms), микросекунд (мs) на одно деление (клетку);

2 - переключатель, который позволяет перемещать временнэю диаграмму по оси X (вправо-влево);

3 - переключатель «Вольт на деление» (V/div) канала осциллографа А (Channel A) - отражает масштаб временнтй диаграммы по оси y (ось амплитуды) - количество Вольт (V), миливольт (mV), микровольт (мV) на одно деление (клетку). Аналогичный переключатель есть в канале осциллографа В (Channel В);

4 - переключатель, который позволяет перемещать временнэю диаграмму по оси Y (вверх-вниз);

5 - переключатель режима работы схемы: DC (Direct Current) - режим постоянного тока, AC (Alternating Current) - режим переменного тока;

6 - наблюдаемая временная диаграмма.

6.7 Щелчками манипулятора мышь установить на лицевой панели осциллографа переключателем «время на деление» (Time base) - время, соответствующее наблюдению двух или трех периодов колебания.

6.8 Установить переключателем «Вольт на деление» (V/div) масштаб по оси амплитуд удобный для наблюдения диаграммы.

6.9 Зарисовать временную диаграмму сигнала в отчет. Подписать.

6.10 Определить время начала периода сигнала (Т1). Для этого установить визирную линию на начало периода гармонического (синусоидального) сигнала, нажав левую клавишу манипулятора мышь на красном треугольнике 1. Переместить визирную линию на начало периода, удерживая ее и двигая манипулятор мышь по коврику.

6.11 Определить время окончания периода сигнала (Т2). Установить синюю визирную линию 2 на конец периода гармонического сигнала, используя методику п. 6.10 (см. рисунок 1.5).

6.12 Записать значения Т1, Т2 и периода Т в отчет.

6.13 Измерить минимальное значение напряжения гармонического сигнала. Установить курсор манипулятора мышь на красном треугольнике 1 и, нажав клавишу манипулятора, перемещать визирную линию на минимальное значение амплитуды. Записать минимальное значение VA1 в отчет.

6.14 Измерить максимальное значение напряжения VA2 используя методику п. 6.13 для синей визирной линии 2 (см. рисунок 1.6). Измерить размах U_p=VA2-VA1 и рассчитать амплитуду. Данные занести в отчет.

Примечание: амплитуда рассчитывается по формуле U_m=U_p/2.

6.15 Проделать пп. 6.2 - 6.14 для сигналов прямоугольной и треугольной формы. Данные записать в отчет и сравнить значения амплитуды, частоты и скважности с ранее установленными на генераторе.

6.16 Удалить линию соединения заземления с генератором (рисунок 1.3), щелкнув манипулятором мышь на линию и нажав клавиши Delete клавиатуры и Enter при появлении запроса.

6.17 Подключить заземление к левой клемме генератора согласно методике п. 6.1.

6.18 Проделать пп. 6.2 - 6.14 для сигналов прямоугольной формы. Данные записать в отчет и сравнить значения амплитуды, частоты и скважности с ранее установленными на генераторе.

Рисунок 1.5 - Методика измерения периода сигнала

Рисунок 1.6 - Методика измерения размаха сигнала

7 Выполнить измерение параметров двух одновременно наблюдаемых сигналов. Для этого:

7.1 Собрать схему для проведения исследований согласно рисунку 1.7. Для этого соединить выход генератора со входом осциллографа. Для их соединения необходимо нажать левую клавишу манипулятора мышь в точке соединения в момент появления стрелки. Удерживая клавишу, перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпустить клавишу необходимо в момент появления другой точки в нужном месте соединения. Появляющаяся линия - подтверждение правильности соединения.

Рисунок 1.7 - Схема исследований

7.2 Установить частоту (Frequency), амплитуду (Voltage), длительность импульса (Duty cycle) сигнала на выходе формирователя прямоугольных импульсов (см. рисунок 1.2) с помощью клавиатуры и манипулятора мышь по варианту согласно таблицы 1.2. Номер варианта соответствует номеру персонального компьютера.

7.3 Установить частоту (Frequency), амплитуду (Voltage), фазу (Phase) сигнала на выходе источника переременного напряжения гармонической формы (см. рисунок 1.2) с помощью клавиатуры и манипулятора мышь по варианту согласно таблицы 1.3. Номер варианта соответствует номеру персонального компьютера.

7.4 Включить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение I включателя , расположенного в правом верхнем углу панели инструментов.

Таблица 1.2 - Параметры сигналов

Номер варианта	Frequency F, кГц	Voltage Um, В	Duty cycle tu,%
1	10	2	50
2	2	3	20
3	8	4	25
4	3	1	30
5	11	2	10
6	20	7	25
7	15	6	10
8	18	5	15
9	7	1,5	45
10	5,5	5	55
11	12	6	60
12	4	8	65
13	14	7	70
14	25	2	75
15	30	3	80

Таблица 1.3 - Параметры сигналов

Номер варианта	Frequency F, кГц	Voltage Um, В	Phase градусы
1	15	3	0
2	1	4	45
3	10	2	0
4	1,5	3,5	90
5	17	1	0
6	25	3	60
7	8	7	0
8	9	2,5	30
9	11	5	0
10	2	3	45
11	6	4	0
12	7	6	90
13	12	9	0
14	20	5	30
15	19	1	0

7.5 Щелкнуть два раза на изображение осциллографа, наблюдать временные диаграммы сигналов на экране осциллографа. Выключить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение 0 включателя.

Рисунок 1.8 - Временные диаграммы наблюдаемых сигналов

7.6 Щелчками манипулятора мышь установить на лицевой панели осциллографа переключателем «время на деление» (Time base) - время, соответствующее наблюдению 3 - 5 периодов колебаний (чтобы можно было наблюдать форму сигналов).

7.7 Установить переключателем «Вольт на деление» (V/div) масштаб по оси амплитуд удобный для наблюдения диаграмм (см. рисунок 1.8).

7.8 Осциллограф программы Electronics Workbench позволяет наблюдать временные диаграммы и проводить измерения одновременно двух сигналов. При этом задействованы два канала осциллографа: Channel A - канал А и Channel В - канал В. На вход канала А подан периодический импульсный сигнал, на вход канала В - переменное напряжение гармонической формы.

7.9 Разместить временные диаграммы одна над другой, используя переключатель Y position в каналах А и В. Зарисовать временные диаграммы сигналов в отчет в одинаковом масштабе.

Рисунок 1.9 - Методика измерения размаха импульсного сигнала

Рисунок 1.10. - Методика измерения размаха гармонического сигнала

7.10 Измерить период импульсного сигнала согласно методике пп. 6.10 - 6.12. Рассчитать частоту, записать в отчет.

7.11 Измерить амплитуду (размах) импульсного сигнала согласно методики пп. 6.13 - 6.14 (см. рисунок 1.9). Записать в отчет.

7.12 Измерить период гармонического сигнала согласно методики пп. 6.10 - 6.12. Рассчитать частоту, записать в отчет.

7.13 Измерить амплитуду (размах) гармонического сигнала согласно методики пп. 6.13 - 6.14 (см. рисунок 1.10). Записать в отчет.

Примечание: гармонический сигнал подан на вход осциллографа В.

8 Показать результаты выполнения работы преподавателю.

9 Сделать выводы.

10 Выключить оборудование.

11 Составить отчет по работе.

Содержание отчета

1 Наименование и цель работы.

2 Наименование аппаратного и программного обеспечения.

3 Схемы измерений.

4 Результаты измерений, вычислений и наблюдений пп. 6.5 и 6.6.

5 Выводы по работе.

6 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

Контрольные вопросы

1 Какова особенность использования программы Electronics Workbench?

2 Укажите назначение и особенности измерительных приборов программы Electronics Workbench.

3 Как измерить амплитуду периодического сигнала при помощи виртуального осциллографа?

4 Чем отличаются виртуальные измерения от реальных измерений?

5 Поясните наличие погрешности измерений при виртуальных и реальных измерениях.

6 Какие виртуальные генераторы входят в состав программы Electronics Workbench?

7 Поясните, в чем отличие колебаний с симметричного и не симметричного выхода генератора.

Содержание зачета

Учащийся должен знать ответы на контрольные вопросы. Должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу, и анализировать результаты измерений.

Литература

1 Шинаков Ю. С., Колодяжный Ю. М. Теория передачи сигналов электросвязи. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.

2 Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. - М.: Солон-Р, 1999. - 253 с.

Краткие теоретические сведения

Информация - совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приема, обработки, преобразования, хранения или непосредственного использования.

Сообщение - форма представления информации, подлежащей передаче.

Сигнал - физический процесс, отображающий передаваемое сообщение. Он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является.

Электрический сигнал - форма представления сообщения для передачи его системой электросвязи. Электрические сигналы количественно можно характеризовать мощностью, напряжением или током.

Детерминированными называют сигналы, мгновенные значения которых в любые моменты времени заранее известны. Для их математического описания служат детерминированные математические модели. Такие сигналы не являются переносчиками информации. Используются в качестве несущих колебаний для получения модулированных сигналов, испытательных сигналов для испытаний системы связи или отдельных ее элементов.

Случайными называют сигналы, мгновенные значения которых в любые моменты времени заранее не известны. Для их математического описания служат вероятностные математические модели. Только случайные сигналы являются переносчиками информации. Реальные сигналы всегда случайны.

Гармоническими являются сигналы, описываемые функцией синуса или косинуса:

детерминированный сигнал осциллограф

или .

Рисунок 1.11 - Гармоническое колебание

Параметры:

· амплитуда ;

· частота: ,

· где щ - угловая частота, рад/с; - циклическая частота, Гц;

· Т- период, с;

· , -начальная фаза, градусы.

Постоянными являются сигналы, значения которых в любой момент времени остаются неизменными:

.



Рисунок 1.12 - Временная диаграмма постоянного сигнала

Способы представления сигналов:

а) математическая модель - представление сигнала в виде математической формулы,

б) временная диаграмма сигнала - показывает зависимость параметра сигнала от времени,

в) векторная диаграмма сигнала - представление сигнала в виде вектора, длина вектора соответствует амплитуде, а наклон относительно оси соответствует фазе сигнала,

г) спектральная диаграмма сигнала - показывает распределение энергии сигнала по частотам.

Лабораторная работа № 2

АНАЛИЗ СПЕКТРА ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Цель работы: исследовать спектры амплитуд детерминированных сигналов.

Подготовка к выполнению работы

1 Изучить по 1 и 2 спектральный состав периодической последовательности прямоугольных импульсов.

2 Рассчитать и построить спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов, если частота (frequency) в кГц, размах (amplitude), В равны номеру записи учащегося в учебном журнале, а длительность импульса (duty cycle) составляет 20% от периода.

3 Подготовить бланк отчета.

4 Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки

1 Что называется спектром фаз?

2 Что называется спектром амплитуд?

3 Что называется скважностью импульсов?

4 Что называется частотой следования импульсов?

5 Какими свойствами обладают спектры негармонических периодических и негармонических непериодических сигналов?

6 Как зависит ширина спектра импульсной последовательности от скважности?

7 Чем определяется плотность спектральных линий в лепестке спектра импульсов?

8 В каком случае получается линейчатый спектр импульсного сигнала?

9 В каком случае получается сплошной спектр импульсного сигнала?

10 Что такое верхняя граничная частота спектра?

11 Что такое нижняя граничная частота спектра?

12 Каков спектр реального телефонного сигнала?

13 В чем заключается связь между временным и спектральным представлением сигнала?

14 Приведите формулу для расчета спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов.

Аппаратное и программное обеспечение

1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).

2 Графический манипулятор мышь.

3 Программа Electronics Workbench 5.12.

Порядок выполнения работы

1 Ответить на вопросы программированного допуска.

2 Получить инструктаж по технике безопасности.

ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие заземления устройств.

3 Включить персональный компьютер. Наблюдать выход компьютера в операционную среду Windows.

4 Открыть программу Electronics Workbench 5.12, согласно каталогу D:\Work\EWB512\WEWB32.exe. Получить изображение стандартного окна программы.

5 Собрать схему для проведения исследований (рисунок 2.1). Соединить выход генератора со входом осциллографа. Для их соединения необходимо нажать левую клавишу манипулятора мышь в точке соединения в момент появления стрелки. Удерживая клавишу, перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпустить клавишу необходимо в момент появления другой точки в нужном месте соединения. Появляющаяся линия - подтверждение правильности соединения.

6 Измерить параметры периодического сигнала, для этого:

6.1 Щелкнуть два раза на изображение генератора на белом листе рабочего поля. Установить режим генерации прямоугольных импульсов, нажав на соответствующее изображение в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.

6.2 Установить частоту (frequency), амплитуду (amplitude), длительность импульса (duty cycle) и постоянную составляющую (offset) сигнала на выходе генератора с помощью клавиатуры и манипулятора мышь согласно домашнему заданию (см. п. 2 раздела «Подготовка к выполнению работы»), изменяя эти данные в окошках напротив параметров в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.

Примечание 1: при работе в бригаде выбрать вариант одного из учащихся.

Примечание 2: Длительность импульса (duty cycle) определяется в % как отношение длительности импульса к периоду следования импульсов (для сигналов импульсной формы!).



Рисунок 2.1 - Схема исследований

6.3 Включить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение I включателя , расположенного в правом верхнем углу панели инструментов.

6.4 Щелкнуть два раза на изображение осциллографа, наблюдать временную диаграмму сигнала на экране осциллографа.

6.5 Щелкнуть на изображение Expand лицевой панели осциллографа. Наблюдать временную диаграмму на расширенном экране.

6.6 Щелчками манипулятора мышь установить на лицевой панели осциллографа переключателем «время на деление » (Time base) - время, соответствующее наблюдению 2 - 4 периодов колебания.

6.7 Установить переключателем «Вольт на деление» (V/div) удобный для наблюдения сигнала масштаб по оси амплитуд. Выключить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение 0 включателя, расположенного в правом верхнем углу панели инструментов. Зарисовать временную диаграмму сигнала в отчет. Подписать.

6.8 Измерить время начала периода сигнала (Т1). Для этого установить визирную линию на начало периода импульсного сигнала, нажав левую клавишу манипулятора мышь на красном треугольнике 1. Переместить визирную линию на начало периода, удерживая ее и двигая манипулятор мышь по коврику.

6.9 Измерить время окончания периода импульсного сигнала (Т2). Установить синюю визирную линию 2 на конец периода, используя методику п.6.8 (см. рисунок 1.5).

6.10 Записать значения Т1, Т2 и периода Т в отчет. Расчитать частоту, определить скважность.

6.11 Измерить минимальное значение напряжения импульсного сигнала. Установить курсор манипулятора мышь на красном треугольнике 1 и, нажав клавишу манипулятора, перемещать визирную линию на минимальное значение амплитуды. Записать минимальное значение VA1 в отчет.

6.12 Измерить максимальное значение напряжения VA2 используя методику п.6.11 для синей визирной линии 2 (см. рисунок 1.6). Измерить размах U_p=VA2-VA1 и рассчитать амплитуду. Данные занести в отчет.

7 Исследовать спектр амплитуд импульсного сигнала, для этого:

7.1 Нажать левой клавишей манипулятора мышь функцию Analysis вверху окна, а затем Fourier в раскрывшейся таблице.

7.2 Задать параметры анализа спектра: Fundamental frequency - частота следования ППИ (см. п. 6.2); Number harmonics - количество гармоник - 20; Vertical scale - масштаб по вертикали, linear -- линейный.

7.3 Нажать функцию Simulate и подождать появления на экране спектральных диаграмм. Установить развернутый вид появившегося маленького окна, нажав левой клавишей манипулятора мышь функцию (развернуть) в правом верхнем углу окна.

7.4 Нажать левой клавишей манипулятора мышь функцию Toggle Cursors в правом верхнем углу окна (рисунок 2.2).

7.5 Измерить амплитуды спектральных составляющих в пределах принятой ширины спектра с помощью визирных линий и таблицы «Magnitude (V)» (см. рисунок 2.3). Визирную линию перемещать за черный треугольник вверху, устанавливая ее на спектральную составляющую. Записывать значение х1 - частоты, у1 - амплитуды спектральной составляющей из таблицы «Magnitude (V)» в отчет.

7.6 Зарисовать спектральные диаграммы в отчет, указав значения частот и амплитуд всех спектральных составляющих в пределах принятой ширины спектра. Сравнить спектр с ранее рассчитанным спектром в домашнем задании. Сделать выводы.

Рисунок 2.2 - Спектральная диаграмма импульсного сигнала

Рисунок 2.3 - Порядок измерения амплитуды и частоты гармонических составляющих спектра

8 Получить спектральные диаграммы амплитуд для последовательности прямоугольных импульсов с параметрами в таблице 2.1. Номер варианта соответствует номеру компьютера.

9 Зарисовать в отчет спектральные диаграммы амплитуд.

10 Выполнить п.6.4 - 7.6 для импульсов треугольной формы.

11 Выполнить п. 6.4 - 7.6 для колебаний синусоидальной формы.

Таблица 2.1 - Исходные данные

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Duty cycle, %	25	33	50	75	25	50	66	33	75	66	25	66	33	75	50

12 Показать результаты выполнения работы преподавателю.

13 Сделать выводы.

14 Выключить оборудование.

15 Составить отчет по работе.

Содержание отчета

1 Наименование и цель работы.

2 Аппаратное и программное обеспечение работы.

2 Схема исследований.

3 Результаты измерений и расчетов по пп. 6, 7, 9, 10, 11.

4 Выводы по работе.

5 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

Контрольные вопросы

1 Как влияет скважность на спектр ППИ?

2 Как влияет изменение длительности импульсов на спектр ППИ?

3 Какие гармонические составляющие отсутствуют при скважности 4 в ППИ?

4 Как изменится спектр ППИ при изменении частоты следования импульсов?

5 Что изменится в спектре ППИ при изменении амплитуды импульсов?

6 Что происходит со спектром ППИ при изменении формы импульсов?

7 Для чего определяют спектры ППИ на практике?

8 Чем определяется ширина спектра ППИ?

9 Поясните, как определить ширину спектра по спектральной диаграмме ППИ.

10 Чему равна ширина спектров ППИ, исследуемых в работе?

11 В чем достоинства и недостатки программного метода анализа спектров?

12 Как изменяется спектр фаз при инверсии временной диаграммы сигнала?

Содержание зачета

Учащийся должен знать ответы на контрольные вопросы. Должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу, анализировать результаты измерений.

Литература

1 Шинаков Ю. С., Колодяжный Ю. М. Теория передачи сигналов электросвязи. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.

2 Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. - М.: Солон-Р, 1999. - 253 с.

Краткие теоретические сведения

Построение спектральной диаграммы сложных периодических сигналов рассмотрим на примере периодической последовательности прямоугольных импульсов (ПППИ).

Рисунок 5.1 - Временная диаграмма ПППИ.

Ряд Фурье для периодической последовательности прямоугольных импульсов (ПППИ) имеет вид:

.

Особенности спектра ПППИ:

- спектр ПППИ линейчатый (дискретный) (представляется набором отдельных спектральных линий), гармонический (спектральные линии находятся на одинаковом расстоянии друг от друга щ₁), убывающий (амплитуды гармоник убывают с ростом их номера), имеет лепестковую структуру (ширина каждого лепестка равна 2р/ф), неограниченный (интервал частот, в котором располагаются спектральные линии, бесконечен);

- при целочисленных скважностях частотные составляющие с частотами, кратными скважности в спектре отсутствуют (их частоты совпадают с нулями огибающей спектра амплитуд);

- с увеличением скважности амплитуды всех гармонических составляющих уменьшаются. При этом если оно связано с увеличением периода повторения Т, то спектр становится плотнее (щ₁ уменьшается), с уменьшением длительности импульса ф - становится больше ширина каждого лепестка;

- за ширину спектра ПППИ принят интервал частот, содержащий 95% энергии сигнала, (равен ширине двух первых лепестков огибающей):

или ;

- все гармоники, находящиеся в одном лепестке огибающей, имеют одинаковые фазы, равные либо 0 либо р.

Спектральная диаграмма амплитуд периодической последовательности прямоугольных импульсов при скважности, равной четырем имеет вид:



Рисунок 2.4 - Спектральная диаграмма амплитуд ПППИ.

Лабораторная работа № 3

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ

Цель работы: наблюдать временные диаграммы на входе и выходе нелинейного элемента в разных режимах работы; научиться измерять угол отсечки сигнала на выходе нелинейной цепи; исследовать преобразование спектра отклика нелинейного элемента в зависимости от его режима работы.

Подготовка к выполнению работы

1 Изучить по [1] и [2] преобразование сигналов при прохождении через нелинейную цепь.

2 Рассчитать и изобразить на спектральной диаграмме спектры отклика нелинейной цепи при воздействии на нее гармонического сигнала, если угол отсечки 50°, крутизна ВАХ 20 мА/В, частота воздействующего сигнала в кГц, а амплитуда воздействующего сигнала в вольтах равна порядковому номеру записи фамилии учащегося в учебном журнале.

3 Подготовить бланк отчета.

4 Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки

1 Приведите классификацию нелинейных элементов.

2 Дайте определение линейной, нелинейной и параметрической цепей.

3 Как определить угол отсечки по осциллографу?

4 Приведите примеры линейных и нелинейных двухполюсников и четырехполюсников. Поясните их особенности.

5 С какой целью проводится аппроксимация вольтамперных характеристик нелинейных элементов (ВАХ)?

6 Какие виды аппроксимации ВАХ Вы знаете?

7 Назовите параметры нелинейных элементов.

8 Что называют откликом цепи?

9 Что содержит отклик нелинейной цепи на гармоническое воздействие?

10 Как изменится отклик нелинейной цепи, если амплитуда воздействия уменьшится? Характеристика нелинейной цепи аппроксимируется полиномом: i = а_о + а_I u + а₂ u ²

11 Телефонный сигнал передается по каналу с большими нелинейными искажениями, какие параметры сигнала изменяются?

12 Поясните смысл статических, дифференциальных и усредненных параметров нелинейных элементов.

13 Перечислите особенности прохождения сигналов через параметрические цепи.

Аппаратное и программное обеспечение

1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).

2 Графический манипулятор мышь.

3 Программа Electronics Workbench 5.12.

Порядок выполнения работы

1 Ответить на вопросы программированного допуска.

2 Получить инструктаж по технике безопасности.

ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие заземления устройств.

3 Включить персональный компьютер. Наблюдать выход компьютера в операционную среду Windows.

4 Открыть программу Electronics Workbench 5.12, согласно каталогу D:\Work\EWB512\WEWB32.exe. Получить изображение стандартного окна программы.

5 Собрать схему электрическую функциональную исследуемой нелинейной цепи (рисунок 3.1), для этого:

5.1 Поместить радиокомпоненты на белый лист рабочего поля. Нажимать левую клавишу манипулятора мышь на изображения радиокомпонент панели инструментов. Перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпускать левую клавишу манипулятора мышь в нужном месте белого листа рабочего поля.

Примечание: Резистор в программе обозначается .

5.2 Соединить радиокомпоненты согласно схеме. Для их соединения необходимо нажать левую клавишу манипулятора мышь в точке соединения в момент появления стрелки. Удерживая клавишу, перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпустить клавишу необходимо в момент появления другой точки в нужном месте соединения. Появляющаяся линия - подтверждение правильности соединения.

5.3 Установить значения резисторов R1 - 10 кОм, R2 - 10 кОм, R3 - 250 кОм, Е1 - 3 В, значение частоты в кГц соответствует номеру персонального компьютера, начальная фаза - 0 градусах, Е2 - 5В.

Рисунок 3.1 - Схема электрическая функциональная исследуемой нелинейной цепи

6 Наблюдать временные диаграммы на входе и выходе нелинейного элемента в разных режимах работы, для этого:

6.1 Установить значение сопротивления резистора R3 равным 5% от номинального. Включить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение I переключателя , расположенного в правом верхнем углу панели инструментов.

6.2 Щелкнуть два раза на изображение осциллографа и получить на экране осциллографа временные диаграммы входного и выходного сигналов без отсечки.

6.3 Щелкнуть изображение Expand осциллографа. Наблюдать временные диаграммы сигналов на расширенном экране.

6.4 Нажать манипулятором мышь надпись Pause на панели инструментов, остановив анализ построения программой временных диаграмм.

6.5 Щелчками манипулятора мышь установить на лицевой панели осциллогрфа переключателем «Время на деление» (Time base) - время, соответствующее наблюдению двух или трех периодов сигналов.

6.6 Установить переключателем «Вольт на деление» (V/div) - масштаб по оси амплитуд, удобный для наблюдения на экране осциллографа входного и выходного сигналов. Масштаб для каждого канала осциллографа выбирается с помощью соответствующих переключателей V/div.

6.7 Разместить входную осциллограмму над выходной щелчками манипулятора мышь на кнопки прокрутки двух каналов Y position осциллографа. Зарисовать временные диаграммы сигналов в отчет. Подписать.

Примечание: входной сигнал подан на вход «B» осциллографа (Channel B), выходной сигнал - на вход «A» (Channel A)

6.8 Определить время начала периода входного сигнала Т1. Установить визирную линию на начало периода сигнала, нажав клавишу манипулятора мышь на красном треугольнике 1 (см. п.п. 6.10 - 6.11 лабораторной работы №1).

6.9 Определить время окончания периода входного сигнала Т2 Установить синюю визирную линию на конец периода сигнала. Записать значение периода сигнала в отчет (см рисунок 1.5).

6.10 Измерить минимальное значение напряжения входного сигнала. Установить манипулятор мышь на красном треугольнике 1 и, нажав клавишу манипулятора, перемещать визирную линию на минимальное значение амплитуды входного сигнала. Записать минимальное значение VB1 в отчет.

6.11 Измерить максимальное значение напряжения входного сигнала, используя методику п. 6.10 для синей визирной линии. Записать максимальное значение VB2 в отчет Измерить размах сигнала VB2-VB1 и амплитуду. Данные занести в отчет.

6.12 Измерить период, амплитуду и размах выходного сигнала на входе осциллографа «A», используя методику пп.6.8 - 6.11. Данные занести в отчет.

7 Исследовать спектры сигнала на входе и выходе нелинейного элемента, для этого:

7.1 Нажать левой клавишей манипулятора мышь на изображение меню Circuit, а затем на указатель функции «параметры схемы» Schematic Options.

7.2 Установить параметр электрической схемы, показывающий номер электрического соединения (контрольной точки). Для этого нажать левой клавишей манипулятора мышь на пустом квадратике напротив надписи Show nodes. Определить номера входной и выходной контрольных точек для исследования спектра.

Примечание: персональный компьютер устанавливает контрольные точки на схеме в случайном порядке, поэтому для каждого рабочего места нумерация точек на схеме может быть различной.

Например, на рисунке 32 показана схема, в которой номер входной контрольной точки соответствует 5 , а номер выходной контрольной точки - 1.

Рисунок 3.2 - Схема электрическая функциональная исследуемой нелинейной цепи с указанием номеров контрольных точек

7.3 Нажать левой клавишей манипулятора мышь сначала изображение 0, а затем I переключателя , расположенного в правом верхнем углу панели инструментов. Подождать несколько секунд. Отключить формирование сигнала, нажав левой клавишей манипулятора мышь на изображение 0 в правом верхнем углу окна.

7.4 Нажать левой клавишей манипулятора мышь функцию Analysis вверху окна, а затем анализ спектра Fourier в раскрывшейся таблице.

7.5 Задать параметры анализа спектра: Output node - номер входной контрольной точки, в которой исследуется спектр; Fundamental frequency - частота исследуемого сигнала (см. п. 5.3); Number of harmonics - количество гармоник - 20; Vertical scale - масштаб по вертикали, линейный - linear.

7.6 Нажать функцию Simulate и подождать появления спектральных диаграмм амплитуд. Установить развернутый вид появившегося маленького окна, нажав левой клавишей манипулятора мышь функцию (развернуть) в правом верхнем углу окна.

7.7 Нажать левой клавишей манипулятора мышь функцию Toggle Cursors в правом верхнем углу окна. Измерить амплитуды спектральных составляющих с помощью визирных линий и таблицы «Magnitude (V)» (см. рисунок 2.3). Визирную линию перемещать за черный треугольник вверху, устанавливая ее на спектральную составляющую. Записывать значение х1 - частоты, у1 - амплитуды спектральной составляющей из таблицы «Magnitude (V)» в отчет согласно методике п. 7.5 лабораторной работы №2 .

Записывать значение х1 - частоты, у1 - амплитуды спектральной составляющей из таблицы «Magnitude,V» в отчет (см. рисунок 2.3).

7.8 Зарисовать спектральную диаграмму амплитуд в отчет, указав значения всех спектральных составляющих. Сделать выводы.

7.9 Получить спектральную диаграмму амплитуд на выходе нелинейной цепи, проделав пп. 7.4 - 7.8 (при выполнении п.7.5 в окне Output node - установить номер выходной контрольной точки).

7.10 Спектральную диаграмму зарисовать в отчет. Сделать выводы.

8 Получить временные и спектральные диаграммы на выходе нелинейной цепи для трех значений сопротивления потенциометра R3, указанных в таблице 3.1. Номер варианта соответствует номеру компьютера.

Таблица 3.1 - Исходные данные

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
Сопротивление потенциометра R3,в % от номинального	11 40 81	12 41 82	13 42 83	14 43 84	15 44 85	16 45 86	17 46 87	18 47 88
Вариант	9	10	11	12	13	14	15	16
Сопротивление потенциометра R3, в % от номинального	19 48 89	20 49 90	21 50 91	22 51 92	23 52 93	24 53 94	25 54 95	26 55 96

9 Для каждого значения сопротивления потенциометра R3 рассчитать угол отсечки. Записать в отчет.

Примечание: Угол отсечки - это половина времени протекания тока за период (см. рисунок 3.3). Рассчитывается в градусах. Для расчета решается пропорция:

T - 360є

t_и - 2

Рисунок 3.3 - Временная диаграмма сигнала с отсечкой

10 Зарисовать временные и спектральные диаграммы в отчет.

11 Показать результаты выполнения работы преподавателю.

12 Сделать выводы.

13 Выключить оборудование.

14 Составить отчет по работе.

Содержание отчета

1 Наименование и цели лабораторной работы.

2 Аппаратное и программное обеспечение лабораторной работы.

3 Схема электрическая функциональная исследуемой нелинейной цепи.

4 Результаты измерений, расчетов, наблюдений по пп. 6 - 9.

5 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

Контрольные вопросы

1 Чем отличается спектр сигнала на выходе нелинейной цепи (НЦ) от спектра сигнала на ее входе?

2 Встречаются ли на практике чисто гармонические сигналы?

3 Как обеспечить нелинейный режим транзисторному усилителю?

4 Что изменится при попадании на вход НЦ двух гармонических колебаний?

5 Какой состав спектра отклика НЦ при полигармоническом воздействии?

6 Каким параметром анализирующей программы Fourier будет определяться количество спектральных составляющих сигнала на выходе нелинейной цепи?

7 Какова особенность использования операционного усилителя в качестве нелинейного прибора?

8 Из-за чего появляются гармоники на выходе операционного усилителя?

9 Как обеспечить линейный режим операционному усилителю?

10 Как обеспечить нелинейный режим операционному усилителю?

Содержание зачета

Учащийся должен знать ответы на контрольные вопросы. Должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу, и анализировать результаты измерений.

Литература

1 Шинаков Ю. С., Колодяжный Ю. М. Теория передачи сигналов электросвязи. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.

2 Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. - М.: Солон-Р, 1999. - 253 с.

Краткие теоретические сведения

Нелинейными называются элементы, параметры (R или G=1/R, L, C) которых зависят от электрических воздействий (протекающих в них токов и приложенных к ним напряжений), но не зависят от времени. Характеристики таких элементов имеют вид нелинейных зависимостей.



Рисунок 3.4 - Внешняя характеристика нелинейного элемента (НЭ).

Цепь, содержащая хотя бы один НЭ, называется нелинейной.

Аппроксимация нелинейной характеристики - замена истинной (экспериментально полученной) характеристики приближенно представляющей ее функцией.

Кусочно-линейная аппроксимация - заключается в замене реальной характеристики идеализированной, линейно-ломаной, составленной из отрезков прямых линий, являющихся касательными к характеристике. Применяется при очень больших амплитудах входного сигнала.

Полиномиальная аппроксимация - заключается в представлении нелинейной характеристики в виде полинома (многочлена) n-ой степени относительно рабочей точки. Является одним из наиболее распространенных способов аппроксимации.

Определение формы отклика графическим методом (методом проекций):

Рисунок 3.5 - Определение формы отклика методом проекций.

Форма отклика имеет вид периодической последовательности косинусоидальных импульсов с отсечкой. Полученные импульсы характеризуются двумя параметрами: высотой и шириной .

Угол, соответствующий половине времени существования импульса, называется углом отсечки . Угол отсечки определяется из равенства:

.

В соответствии с формулой при заданной ВАХ (фиксированном ) угол отсечки регулируется выбором амплитуды величины смещения .

Высота (максимальное значение) импульса тока определяется выражением:

.

Поскольку ток - периодическая функция времени с периодом , его можно представить в виде ряда Фурье:

.

Коэффициенты этого ряда являются постоянной составляющей и амплитудами гармоник тока и могут быть вычислены по формулам:

,

,

где - коэффициенты Берга;

- функции Берга.

Для ряда значений коэффициенты и функции Берга табулированы.

Из рассмотрения графиков коэффициентов Берга можно сделать такие заключения: при ток равен нулю (НЭ заперт на протяжении всего периода); при отсечка тока отсутствует и режим работы становится линейным; при работе с отношение амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей больше единицы и растет с уменьшением ; с повышением номера гармоники максимумы амплитуд гармоник перемещаются в область малых значений

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Цель работы: получить временные диаграммы амплитудно-модулированного сигнала при различных модулирующих сигналах; измерить коэффициент амплитудной модуляции осциллографическим методом; исследовать спектральный состав амплитудно-модулированного сигнала.

Подготовка к выполнению работы

1 Изучить по [1] и [2] теоретические сведения о сигналах с амплитудной модуляцией, основные параметры и характеристики амплитудно-модулированных сигналов.

2 Изучить по [3] состав спектра амплитудно-модулированного сигнала.

3 Рассчитать и построить временную и спектральную диаграммы амплитудно-модулированного сигнала, если амплитуда несущего колебания А_m, B; частота несущего колебания f₀, МГц; а частота модулирующего синусоидального сигнала F, кГц равны номеру записи фамилии учащегося в учебном журнале. Амплитуда модулирующего сигнала А_mи = 0,3 А_m. Составить математическую модель амплитудно-модулированного сигнала.

4 Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки

1 Что такое амплитудная модуляция?

2 Что такое несущее колебание?

3 Что такое модулирующий сигнал?

4 Как определить коэффициент амплитудной модуляции?

5 Какой физический смысл имеет коэффициент амплитудной модуляции?

6 Какой параметр несущего колебания изменяется при амплитудной модуляции (АМ)?

7 Как отличаются частоты несущего...