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

(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=2T_и).

3. Для периодического сигнала типа «меандр» (рис.5, T=2T_и) и для соответствующей периодической последовательности треугольных импульсов (рис.6, T=2T_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
U_n, 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, T₁= − 250 мкс, T₂=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

123	Поделиться: