АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 Кафедра радиотехники

 

ТЕОРИЯ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  СВЯЗИ 

Методические указания к лабораторным работам

(для студентов  направления 050719 по специальностям

“Радиотехника, электроника и телекоммуникации” очной и заочной форм обучения)

  

Алматы 2006 

СОСТАВИТЕЛЬ: Т.А.Павлова. Радиотехнические цепи. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 050719 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации. - Алматы: АЭИС, 2008 - 60 с. 

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов, выполняющих лабораторные работы по курсу «Радиотехнические цепи». Одновременно могут быть выполнены работы различной сложности, а также работы, выполняемые в рамках учебной исследовательской работы студентов. Все разделы указаний снабжены ссылками на рекомендованную литературу и контрольными вопросами для самопроверки.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов для направления 050719 по специальностям “Радиотехника, электроника и телекоммуникации” очной и заочной форм обучения.

  Предисловие

Настоящие методические указания предназначены для студентов, выполняющих лабораторные работы по курсу  «Радиотехнические цепи».

На каждом рабочем месте  используются одинаковые лабораторные установки с большим набором сменных макетов. Возможность быстрого перехода от одной исследуемой цепи к другой и увеличенный объем лабораторных исследований позволяют преподавателю выдавать задание на работу в лаборатории с учетом индивидуальных особенностей групп, бригад и отдельных студентов. Таким образом, одновременно могут быть поставлены работы различной сложности, а также работы, выполняемые в рамках учебной исследовательской работы студентов.

Все разделы указаний снабжены ссылками на рекомендованную литературу и контрольными вопросами для самопроверки.

1 Порядок выполнения лабораторных работ по курсу  «Радиотехнические цепи»

Работа в лаборатории ведется строго по расписанию; допускаются в нее студенты, знающие и выполняющие требования техники безопасности.

Каждая работа выполняется одновременно всеми бригадами студенческой группы, т. е. фронтально. Рабочее место бригады – стол, оборудованный лабораторной установкой и снабженный измерительными приборами. Лабораторные установки разных столов выполнены по одной схеме и отличаются друг от друга, в основном, характеристиками применяемых нелинейных элементов. Порядковый номер установки  соответствует номеру бригады.

     Для допуска к конкретной лабораторной работе студенту необходимо  сдать коллоквиум, имея заготовку отчета с четко озаглавленными пунктами исследования, соответствующими принципиальными схемами, таблицами измеряемых и расчетных величин. Результаты предварительного расчета должны быть внесены в таблицы заранее во время подготовки к лабораторной работе. Исходным материалом для предварительного расчета является характеристика нелинейного элемента и параметры принципиальной схемы того макета, на котором будет выполняться лабораторная работа. Знание соответствующего теоретического материала и методики выполнения работы, умение разобраться в изучаемой схеме проверяются на коллоквиуме.

Во время работы нужно пользоваться настоящими методическими указаниями, а также указаниями преподавателя и лаборанта. По результатам измерений заполняются соответствующие таблицы заготовки, вычерчиваются графики, делаются необходимые выводы.

Включение и выключение компьютера, а также запуск программы и выход из нее производятся с разрешения преподавателя.

Протокол исследования должен вестись студентом  и в конце работы подписываться преподавателем.

Завершающим этапом лабораторной работы является автоматический контроль усвоения материала и умения делать выводы из полученных результатов. При этом студент опять отвечает на пять поставленных вопросов.

В случае досрочного выполнения работы оставшееся время используется для оформления отчета.

Пользоваться собственными дискетами без разрешения преподавателя запрещается.

После работы приборы нужно выключить, а рабочее место привести в порядок. Для получения зачета по лабораторной работе студент должен защитить полностью оформленный отчет.

Лабораторная работа рассматривается как исследовательская работа, результаты работы которой оформляются студентами в виде отчета.

Отчет выполняется в тетради или стандартных листах бумаги чисто, аккуратно, грамотно и должен содержать:

- указанное в пунктах методических указаний к данной работе;

- результаты исследований в виде таблиц, графиков и числовых характеристик (графики выполняются на миллиметровой бумаге с обязательным указанием наименования и масштаб осей и вклеиваются в соответствующие места отчета);

- результаты исследований и расчетов, выполненных в ходе работы, с соответствующими пояснениями и доказательствами;

- выводы по работе (после каждого пункта задания или в конце отчета).

Отчет сдается преподавателю перед выполнением очередной работы.

2 Лабораторная установка и измерительные приборы

Лабораторная установка представляет собой вертикальную стойку (рисунок 2.1), укрепленную на столе. В верхней части стойки на приборной панели расположены общие органы управления и измерительные приборы - микроамперметр и вольтметр постоянного тока. Восемь макетов исследуемых цепей расположены ниже. Каждый из них позволяет проводить одну или несколько лабораторных работ. Номер макета, используемого в каждой работе, дан в методических указаниях.

 Макеты выполнены в виде съемных блоков с размерами 150х100 мм. На лицевой панели макета представлена его принципиальная схема, а также расположены органы управления и гнезда для подключения внешних приборов. Органы управления (тумблеры, переключатели, потенциометры и гнезда) помещены в тех местах схемы, где находится их условное графическое обозначение.

Макеты сконструированы таким образом, что нужная схема «собирается» путем установки в соответствующие положения тумблеров и переключателей, без применения навесных проводов.

Порядок включения лабораторной установки следующий. Прежде всего, переключателем «№ МАКЕТА» (на приборной панели слева) производится выбор того макета, на котором будет выполняться работа, после чего включается питание стойки тумблером «ВКЛ.». При этом должны засветиться лампочки у данного тумблера и номера на включенном макете.

Измерительные приборы, необходимые для занятия, располагаются рядом со стойкой на столе (внешние приборы)  и на самой стойке (внутренние приборы). Все корпуса приборов (^) соединены с корпусом (^) стойки, благодаря чему в большинстве случаев достаточно однопроводных соединений между потенциональными гнездами проборов и гнездами макетов. Последние выполнены парными и пронумерованы.

Два внутренних прибора - микроамперметр, расположенный на приборной панели слева, и вольтметр, расположенный на приборной панели справа без каких-либо специальных соединений подключаются к нужной цепи переключателем «№  МАКЕТА».

Микроамперметр снабжен переключателем пределов измерения «100Ú500 мкА» и полярности «+Ú-». Этот прибор используется с теми макетами, на принципиальной схеме которых в соответствующей цепи имеется его условное изображение. Другое применение прибора, измерение тока стока полевого транзистора в данном макете, требует нажатия кнопки на боковой поверхности стойки. Максимальный ток, который может быть измерен, составляет 5 мА. Это значение является достаточной величиной  при снятии статической сток-затворной характеристики применяемых полевых транзисторов.

Вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение смещения, регулировка которого осуществляется расположенным рядом потенциометром «СМЕЩЕНИЕ». Полное отклонение стрелки прибора соответствует напряжению 5В.

В центре среди макетов (без номера) помещен набор внутренних источников различных напряжений, что позволило уменьшить число внешних генераторов. Имеются: генератор на частоту 1 кГц с регулируемой амплитудой (гнезда 1); генератор на частоту 180 кГц (гнезда 2) с регулируемой амплитудой  несущего колебания и с регулируемой глубиной модуляции (m, %), два источника дискретных постоянных напряжений  положительной и отрицательной полярности. Потенциометры и переключатели выходных напряжений внутренних генераторов имеют градуировку в вольтах (В) и в процентах (%). Как правило, контролировать эти значения напряжения внешними вольтметрами не нужно. Внешние приборы  используются в соответствии с методическими указаниями к  лабораторной работе и с инструкциями к этим приборам. Инструкция по эксплуатации прибора Актаком АСК-4106 находится в приложении А к данным методическим указаниям.

К внешним устройствам относятся:

– персональный компьютер;

– комбинированный прибор Актаком АСК-4106.

Внимание: прибор Актаком АСК-4106 достаточно сложен в настройке. Ручки на его передней панели трогать не следует. При возникновении затруднений при использовании этого прибора обращайтесь к лаборанту.

3 Лабораторная работа № 1. Генератор   LС

Цель работы

Исследование одной из схем LC-генератора. Получение практических навыков при исследовании теории самовозбуждения, стационарного и переходного режима LC-генератора.

Схема работы и измерительная  аппаратура

В работе используется макет № 2, принципиальная схема которого приведена на рисуноке 3.1. Исследуемый LC-генератор выполнен на полевом транзисторе, общий вид сток-затворной характеристики представлен на рисунке 3.2. Схема генератора - трансформаторная с контуром в цепи стока и c катушкой обратной связи в цепи затвора. С помощью трехпозиционного тумблера «ОБРАТНАЯ   СВЯЗЬ» можно изменять знак обратной связи, а также отключать ее. Абсолютная величина напряжения обратной связи изменяется с помощью регулятора взаимной индуктивности «М».

В левой верхней части макета находится тумблер «ПРЕРЫВАТЕЛЬ», подающий питание на электронный ключ (на схеме не показан). Прерыватель предназначен для периодического обрыва и включения цепи обратной связи во время наблюдения переходных процессов.

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема  макета  № 2		Рисунок 3.2 - Типовая сток-затворная характеристика полевого транзистора

Ключ «СМЕЩЕНИЕ» позволяет выбрать вид смещения – фиксированное или автоматическое. Величина фиксированного смещения регулируется потенциометром «СМЕЩЕНИЕ», который расположен на приборной панели с правой стороны, рядом с вольтметром.

Для наблюдения процессов на затворе и стоке, для наблюдения производной выходного процесса используются соответственно гнезда 3, 4 и 5. Внешнее колебание подводится через гнезда 1. В данной работе гнезда 2 не используются. Измерения проводятся с помощью генератора синусоидальных колебаний, осциллографа, вольтметра или прибора Актаком АСК-4106 .

Домашнее  задание

1. Изучите основные вопросы темы по конспекту лекций и по рекомендуемой  литературе: [1, с. 179--262, 272-278], [2, с. 112-117, 198-204], [3, c. 323-347], [4, c. 356-373].

2. Подготовьте заготовку отчета.

Лабораторное задание

1. Изучите режим самовозбуждения и проверьте выполнение «условия баланса амплитуд».

2. Пронаблюдайте амплитудные характеристики стационарного режима и их качественные отличия при различных значениях  напряжения  смещения.

3. Проведите измерения значений для построения  колебательных характеристик. Покажите, как с помощью колебательной характеристики можно рассчитать определенные в п. 2 амплитуды стационарного режима.

4. Пронаблюдайте колебания в стационарном, переходном режимах и фазовый портрет.

Переключение в режим автоматического смещения производится  только по указанию преподавателя.

Методические указания

3.1 Режим самовозбуждения

3.1.1 Функциональная схема исследования представлена на рисунке 3.3. Обратная связь – положительная, смещение – регулируемое. Прерыватель выключен.

3.1.2 Положение рабочей точки выбирается на середине линейного участка сток-затворной характеристики транзистора. Для этого используется характеристика для конкретного полевого транзистора, которую можно посмотреть в справочной литературе.

 Значение добротности колебательного контура Q эквивалентного  генератора на резонансной частоте рассчитывается по АЧХ колебательного контура. Значение сопротивления колебательного контура R_эо рассчитывается для конкретных значений  емкости, индуктивности и сопротивления потерь колебательного контура. Значение напряжения смещения E_ЗИ0, определенное по сток-затворной характеристике полевого  транзистора (в справочной литературе), устанавливается  на  затворе с помощью потенциометра «СМЕЩЕНИЕ».

3.1.3. Возбуждение колебаний в генераторе осуществляется путем плавного  увеличения  взаимной  индуктивности  регулятором  «М». Появление  колебаний  отмечается по вольтметру или осциллографу.

3.1.4. Критическое значение взаимной индуктивности М_кр и значение крутизны в рабочей точке S_р.т. находят после предварительных регулировок и заносят в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

ЕЗИ0 =              В,		Q =
Sр.т., мА/В	Mкр., мГн	f , кГц	mкр.

Прежде всего добиваются устойчивой генерации, для чего устанавливают М несколько большей величины, чем M_кр. Далее значение напряжения  смещения подбирает так, чтобы амплитуда  генерируемых колебаний стала максимальной. По найденной величине напряжения  смещения Е_ЗИ0 с помощью характеристики на рисунке 3.2 определяют соответствующее значение крутизны полевого транзистора в рабочей точке S_р.т. Наконец, плавно уменьшая значение взаимной индуктивности М, можно уменьшить амплитуду колебаний и определить значение взаимной индуктивности  М_кр, при котором генерация прекращается.

3.1.5. Частота возбужденных колебаний  f определяется по фигуре Лиссажу. Искомое значение частоты находится  в диапазоне  частот от З0 до 50 кГц. Дополнительные соединения приборов показаны на  рисунке 3.3 пунктиром. Изменяя значение  частоты внешнего генератора, добиваются на экране осциллографа изображения в виде эллипса.

3.1.6. Критическое значение  параметра возбуждения вычисляется по результатам опыта и заносится в таблицу 3.1

m_кр. = M_кр.S_P.T./RC = w_o M_кр.S_P.TQ.

3.2 Стационарный режим

3.2.1 Функциональная схема для проведения измерений представлена на  рисунке 3.3.

3.2.2 Положение рабочей точки на характеристике устанавливается каждый раз перед снятием кривых путем выбора значения напряжения  смещения Е_ЗИ:

а) смещение мягкого режима Е₁ = Е_ЗИ0  (см. п.1.4 и табл. 1.1);

б) смещение жесткого режима Е₂ (рабочая точка на нижнем сгибе сток-затворной характеристики);

в) смещение  автоматическое.

3.2.3 Зависимость стационарной амплитуды от значения взаимной индуктивности в мягком режиме U_ст = j₁(М) снимается как при увеличении, так и при уменьшении значения взаимной индуктивности М (прямой и обратный ход). Значения стационарной амплитуды отсчитываются по  вольтметру на выходе генератора, величина взаимной индуктивности определяется положением регулятора «М». Результаты измерений размещаются в таблице 3.2.

3.2.4 Зависимость стационарной амплитуды от значения взаимной индуктивности в жестком режиме U_ст. = j₂(М) снимается после уточнения величины смещения Е₂ . Для этого при значении взаимной индуктивности М = 0,9 М_макс. устанавливают  большое значение напряжения смещения (порядка 3-5

В), гарантирующее  отсутствие генерации. Далее значение напряжения смещения осторожно уменьшают до того значения, при котором произойдет возбуждение  автогенератора.

При правильно выбранном значении напряжения смещения значения  взаимной индуктивности, соответствующие возникновению и  исчезновению колебаний, заметно отличаются друг от друга.  В противном случае следует несколько изменить величину U_зи. Результаты эксперимента вносят в таблицу 3.3, аналогичную таблице 3.2. Для тех значений взаимной  индуктивности М, при которых происходят скачки напряжения, в соответствующие клеточки таблицы 3.3 вносят два значения U_ст. в виде дроби: начальное / конечное (имевшееся к началу и возникшее в результате скачка).

Таблица 3.2

ЕЗИ0 =                    В,          SP.T. =                мА/ В,          f =            кГц
	данные при  увеличении М
М, мГн
UСТ., В
	данные при  уменьшении М
М, мГн
UСТ., В

3.2.5. Зависимость стационарного  напряжения от значения взаимной индуктивности  в  режиме  автоматического смещения U_ст. = j₃(М) снимается как и в двух предыдущих пунктах после переключения вида смещения.  Результаты измерений заносят в  таблицу 3.4, аналогичную таблице 3.2 и 3.3.

3.3  Колебательные характеристики

3.3.1 Принципиальная схема представляет собой схему исследуемого генератора с разорванной петлей обратной связи. Обрыв цепи осуществляется с помощью переключателя «ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ» установкой его в среднее положение.

3.3.2 Функциональная схема измерений представлена на рисунке 3.4.

3.3.3 Настройка в резонанс колебательного контура исследуемой схемы осуществляется путем изменения частоты внешнего генератора при входном напряжении U_вх. = 0,1 В.

3.3.4 Положение рабочей точки на характеристике устанавливается каждый  раз перед снятием кривых путем выбора смещения Е_ЗИ:

а) Е_ЗИ = Е₁  в мягком режиме;

б) Е_ЗИ = Е₂  в жестком режиме;

в) смещение автоматическое.

3.3.5 Колебательная характеристика в мягком режиме I₁ = j₅(U_вх) снимается на резонансной частоте f_о. Для этого, прежде всего, получают зависимости U_вых = j₄(U_вх), причем U_вых должно изменяться в пределах от 0 до U = U_{ст.макс}, полученного в мягком режиме (см. п. 3.2.3). Величины I₁ и S_ср, входящие в зависимости j₅  и j_{6 ,} рассчитываются

I₁ = U_вых/R_эо, S_ср = I₁/U_вх.

Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу 3.5.

Таблица 3.5

ЕЗИ0 =                 В,      fо =                   кГц ,        Rэо =                   кОм
Uвх, В
Uвых, В
I1, мА
Sср, мА/В

3.3.6 Колебательная характеристика в жестком режиме снимается так же, как и в мягком, с тем отличием, что значение U_{ст.макс} выбирают из таблицы 3.3. При этом  желательно использовать те точки, при которых наблюдались скачки амплитуды путем установки выходных напряжений, равных соответствующим значениям U_ст из таблицы 3.3.

Результаты измерений U_вых = j₇(U_вх) и расчетов I₁ = j₈(U_вх) и S_ср = j₉(U_вх) оформляются в виде таблицы 3.6, аналогичной таблице 3.5.

3.3.7 Колебательная характеристика в режиме автоматического смещения снимается, как и предыдущие, после выбора переключателем вида смещения. Результаты измерений U_вых=j₁₀(U_вх) и расчетов I₁ = j₁₁(U_вх) и S_ср = j₁₂(U_вх) оформляются в виде таблицы 3.7, аналогичной таблице 3.5.

3.4  Переходной режим 

3.4.1 Функциональная схема представлена  на  рисунке 3.5. Генератор переводится в режим возбуждения, после чего включается прерыватель, который периодически (с частотой 300 Гц) замыкает и разрывает цепь обратной связи.

3.4.2 Временные диаграммы наблюдаются в любом из трех  режимов  по указанию  преподавателя  при включенной развертке осциллографа. Значение взаимной индуктивности должно быть отрегулировано так, чтобы на диаграмме четко прослеживался рост амплитуды от нулевого значения до стационарного. Временная диаграмма зарисовывается, определяется длительность переходного процесса - время установления.

3.4.3 Фазовый портрет наблюдается и зарисовывается после подключений, показанных пунктиром на рисунке 3.5 и после выбора удобных масштабов по вертикали и по горизонтали (при выключенной развертке осциллографа).

Отчет

Отчет должен содержать

1. Принципиальную схему  генератора.

2. Таблицу и результаты вычислений для режима самовозбуждения,

3. Таблицы и графики для стационарных режимов и колебательных характеристик.

4. Графики зависимости S_ср(U_вх): j₆, j₉ (и j₁₂) с построениями, показывающими методику определения двух-трех значений стационарной амплитуды, полученных в п.п. 3.2.3 и 3.2.4.

5. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Изобразите обобщенную схему генератора. 

2. Сформулируйте  критерии  устойчивости.

3. Из чего состоят понятия баланса фаз и условия амплитуд? Поясните на примере изучаемой цепи.

4. Какие колебания дают начало процессу при возбуждении?

5. Какова роль усилительного элемента в схеме?

6. Какова роль обратной связи?

7. Какова роль нелинейного элемента?

8. Каково назначение избирательной цепи?

9. От чего зависят частота и форма колебаний?

10. В чем суть квазилинейного метода?

11. Что такое средняя крутизна, каковы наиболее характерные ее зависимости от амплитуды?

12. Как получить мягкий режим?

13. Как получить жесткий режим?

14. Изобразите зависимость генерируемой амплитуды от  взаимной индуктивности.

15. В чем удобства автоматического смещения?

16. Нарисуйте схемы автогенераторов на электронной лампе, биполярном и полевом транзисторе с трансформаторной обратной связью.

17. Нарисуйте схемы автогенераторов, выполненных на основе  трехточечного подключения к колебательному контуру. Покажите цепи, по которым подаются напряжения питания и смещения.

18. В чем состоит метод медленно  изменяющихся амплитуд?

19. В чем состоит метод фазовой  плоскости?

4 Лабораторная работа   № 2. Исследование характеристик резонансного усилителя малых колебаний

Цель работы

Исследование усиления сигналов различной формы в линейном и нелинейном режимах работы усилителя. Получение оптимальных режимов. Исследование частотных характеристик резонансного усилителя малых колебаний.

Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется макет № 1, схема которого приведена на рисунке 4.1 и представляет собой схему преобразователя на полевом транзисторе. Выбор нагрузки в цепи стока (резистор R или колебательный LС-контур) осуществляется с помощью переключателя «RÚLС». Изменение избирательных свойств контура осуществляется с помощью тумблера «R_ш», который позволяет подключить шунтирующий резистор (R_ш = 10 кОм) параллельно контуру LС.

Рисунок 4.1 - Принципиальная схема макета № 1 для работы №2	Рисунок 4.2 - Функциональная схема исследований в работе №2

Подача напряжения смещения и его регулировка осуществляется от источника Е_см с помощью потенциометра СМЕЩЕНИЕ, размещенного на приборной панели. Контроль величины напряжения смещения производится вольтметром, расположенным на стенде с правой стороны.

Динамическая сток-затворная характеристика полевого  транзистора представлена на рисунке 4.2. Для расчетов и выбора  оптимальных режимов конкретный вариант характеристики  должен быть аппроксимирован отрезками прямых. Источниками входных сигналов в данной работе является генератор (прибор АСК- 4106). Входные сигналы суммируются с помощью трансформаторов, изображенных в левой части схемы макета, и вместе с напряжением смещения подаются на затвор транзистора. Высокое входное сопротивление полевого транзистора исключает взаимное влияние генераторов, подключаемых к входам 1,2,3. Коэффициенты трансформации равны единице. 

Измерительный прибор АСК- 4106, а именно генератор подключается к входным гнездам 1, 2, 3, осциллограф к выходу гнезда 5, 6. Для наблюдения формы сигналов используется осциллограф-анализатор(АСК- 4106), для изучения спектров – анализатор спектра (АС). Функциональная схема приведена на рисунке 4.2. Отображения сигналов видны на компьютере.

Подача напряжений на затвор полевого транзистора осуществляется с помощью цепей, описанных в работе № 1.

 Вся работа проводится с использованием колебательного контура в качестве избирательной нагрузки униполярного транзистора (переключатель «R/LC» в положении «LС»).  Однако для наблюдения осциллограмм и спектрограмм тока стока (точнее - напряжения, которое образуется на резисторе R и пропорционально этому току), переключатель должен быть переведен в положение «R».

Внимание: по указанию преподавателя может  быть использована более точная кусочно-параболическая аппроксимация. Тогда в методических указаниях слова «линейный участок» следует заменить словами «параболический участок», а «кусочно-линейный» - словами «кусочно-параболический».

Домашнее задание

1. Изучите по конспекту лекций и рекомендуемой литературе материал по  усилению сигналов: [1, с. 76-83, 86-92], [2, с. 63-71], [3, с. 290-296], [4, .275-278].

2. Аппроксимируйте сток-затворную характеристику, соответствующую выполняемому варианту задания. Выберите значения напряжения смещения для двух режимов: а) на середине линейного участка, б) на кусочно-линейном участке для работы с углом  отсечки 90°.

3. Теоретически рассчитать  спектральные плотности сигналов по своему варианту и построить их графики.

4. Рассчитать характеристики сигналов: амплитуду, медиану, среднее значение, среднеквадратичное значение (СКЗ), период и длительность импульса. Результаты занести в таблицу 4.1. 

5. Приготовьте заготовку отчета и внесите в нее результаты выполненных расчетов.

  

Таблица 4.1

Вариант №	Амплитуда	Медиана	Среднее значение	СКЗ	Период, длительность импульса
Sin
Треугольник (имп.)
Прямоугольник (имп.)
Пила (имп)

Лабораторное задание

1. Получите свой вариант сигналов у руководителя. Исходные данные приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Вариант №	1	2	3	4
Сигнал 1	exp(-t)	прямоугольный импульс (размах – 3 В, частота – 200 Гц)	sin(3x) (размах – 4 В, частота – 1 кГц)	4exp(-4t)
Сигнал 2	прямоугольный импульс (размах – 1 В, частота – 100 МГц)	4exp(-2t)	прямоугольный импульс (размах – 5 В, частота – 400 кГц)	sin(4x) (размах – 5 В, частота – 400 кГц)
Сигнал 3	sin(x) (размах – 3 В, частота – 200 Гц)	sin(2x) (размах – 1 В, частота – 100 МГц)	9exp(-3t)	прямоугольный импульс (размах – 4 В, частота – 1 кГц)

2. Зарисовать полученные временные и спектральные диаграммы. Сравнить полученные результаты с теоретическими в выводе по работе.

3. Исследуйте усиление сигналов различной формы.

4. Зарисуйте и исследуйте полученные АЧХ и ФЧХ.

5. Занести в таблицу 4.4 данные: амплитуда, медиана, среднее значение, СКЗ, период, длительность импульса.

6. Получить сводную таблицу результатов.

7. Сделать выводы по работе.

Методические указания

4.1 Линейный режим усиления

4.1.1 Принципиальная схема макета №1 изображена на рисунке 4.1 и представляет собой схему усилителя на полевом транзисторе с нагрузкой в цепи стока. Переключатель «R/LC» устанавливается в положение «LC». Переключатель «R_ш » должен находиться в положении «выключено».

4.1.2 Положение рабочей точки выбирается на середине линейного участка сток затворной характеристики (рисунок 3.2), аппроксимированной отрезками прямых линий. Найденное значение напряжения смещения Е_ЗИ0 устанавливается потенциометром «СМЕЩЕНИЕ» и вносится в таблицу 4.3.

Таблица 4.3

ЕЗИ0  =                       В,                 fо =                     кГц
Uвх, В
Uвых, В

4.1.3 Настройка в резонанс осуществляется путем перестройки частоты синусоидальных колебаний в диапазоне частот 15 кГц; U_вх = 0,3 В. Достижение резонанса фиксируется по показаниям вольтметра. Точное значение резонансной частоты f_о вносится в таблицу 4.3.

4.1.4 Амплитудная характеристика усилителя U_вых = j₁(U_вх) снимается при изменении напряжения сигнала в пределах от 0 до 2,0 В. Начальный участок рассматривается подробно через 0,05 В. Результаты вносятся в таблицу 4.3.

4.1.5 Временные диаграммы и спектры входного напряжения U_вх(t), напряжения на выходе U_вых(t), при двух значениях добротности колебательного контура (R_ш включено, выключено) и тока стока i_c(t) (переключатель «RÚLC» в  положении «R» ) наблюдаются и зарисовываются с экрана компьютера при действии на входе напряжения U_вх = 0,5U_{вх мах}, где U_{вх мах} - наибольшее значение напряжения, при котором амплитудная характеристика еще может считаться линейной.

4.1.6 Характеристики сигналов. Снять характеристики сигналов с экрана компьютера, согласно варианту. Заполнить таблицу 4.4.

4.1.7 АЧХ и ФЧХ снимаются с экрана компьютера. АЧХ (зависимость среднеквадратического значения (СКЗ) амплитуды выходного сигнала от частоты входного сигнала) изображается на вкладке "Частотные" в двух режимах.

ФЧХ отображается на графической вкладке "Фазовые"  (зависимость величины угла сдвига фаз выходного сигнала относительного входного от частоты входного ИС). Величины углов отобразить в градусах или радианах. Перерисовать графики.

Таблица 4.4

	амплитуда	медиана	среднее значение	СКЗ	период	длительность импульса
теоретически
в режиме генератора
в режиме осциллографа–анализатора
максимальная относительная погрешность

4.2 Нелинейный режим усиления

4.2.1 Положение рабочей точки выбирается так, чтобы угол отсечки был равен 90°. Для этого используется сток-затворная характеристика, аппроксимированная отрезками прямых линий, по которой находится значение напряжения Е_зио. Это значение напряжения устанавливается потенциометром «СМЕЩЕНИЕ» и вносится в таблицу 4.5,  подобную таблице 4.3.

4.2.2 Амплитудная характеристика усилителя U_вых = j₂ (U_вх) в нелинейном режиме снимается при изменении входного сигнала вплоть до 4 В. Результаты вносятся в таблицу 4.5.

4.2.3 Временные диаграммы и спектры, как и в линейном режиме (см. п. 4.1.5), наблюдаются и зарисовываются при значении U_{вх  макс}, определенном по характеристике j₂.

4.2.4 Повторить п.п. 4.2.2, увеличив абсолютную величину напряжения смещения на 1 В. Данные для построения амплитудной характеристики U_вых = j₃(U_вх)  занести в таблицу 4.6, подобную таблице 4.5.

4.2.5 Характеристики сигналов, как и в линейном режиме (см. п. 4.1.6), наблюдаются и зарисовываются с экрана компьютера, согласно варианту. Заполнить таблицу 4.7, подобную таблице 4.4.

4.2.6 АЧХ и ФЧХ, как и в линейном режиме (см. п. 4.1.7), наблюдаются и зарисовываются с экрана компьютера. Перерисовать графики.

Отчет

Отчет должен содержать

1. Принципиальную схему исследованных устройств.

2. Исходную и аппроксимированную сток-затворную характеристику полевого транзистора для соответствующего варианта.

3. Таблицы исходных, расчетных и экспериментальных данных.

4. Графики амплитудных и частотных характеристик j₁ - j₄ , а также осциллограммы и спектры исследованных процессов.

5. Сводную таблицу результатов.

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Какова роль полевого транзистора в схеме линейного усилителя?

2. Почему в качестве нагрузки в линейном усилителе применяются резистор, колебательный контур?

3. Как выбрать рабочую точку на характеристике усилительного элемента линейного усилителя?

4. Каковы преимущества нелинейных усилителей?

5. Какова роль избирательной нагрузки в схемах нелинейных усилителей?

6. Как выбрать рабочую точку на характеристике усилительного элемента нелинейного усилителя?

7. Изобразить схемы усилителей.

8. С какой целью применяются усилители?

9. Как выбрать оптимальный режим работы усилителя?

10. Нелинейный элемент находится под моногармоническим воздействием. Как при изменении смещения нужно изменить амплитуду воздействующего напряжения (и наоборот), чтобы максимальное значение тока в импульсе тока оставалось неизменным? Как при этом будут изменяться форма и длительность импульса тока?

11. Что такое амплитудная характеристика усилителя?

12. Какие требования предъявляются к нагрузке нелинейного элемента усилителя частоты?

13. Как можно получить осциллограмму импульсов тока стока, протекающих через контур?

14. Какую форму записи имеет частотный коэффициент передачи?

15. Представьте частотный коэффициент передачи в показательной форме.

16. При каком условии АЧХ одноконтурной резонансной системы оказывается симметричной относительно резонансной частоты?

17. В чем проявляется влияние внутреннего сопротивления электронного прибора на характеристики резонансного усилителя малых колебаний?

18. Каково преимущество усилителя со связанными контурами по сравнению с одноконтурным усилителем?

5 Лабораторная работа № 3. Умножение частоты

Цель работы

Исследование явления умножения частоты. Получение оптимальных режимов.

Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется макет № 1, схема которого приведена на рисунке 5.1 и представляет собой схему преобразователя на полевом транзисторе. Выбор нагрузки в цепи стока (резистор R или колебательный LС-контур) осуществляется с помощью переключателя «RÚLС». Изменение избирательных свойств контура осуществляется с помощью тумблера «R_ш», который позволяет подключить шунтирующий резистор (R_ш = 10 кОм) параллельно контуру LС.

Рисунок 5.1 - Принципиальная схема макета № 1 для работы № 3	Рисунок 5.2 - Функциональная схема исследований в работе № 3

Динамическая сток-затворная характеристика полевого  транзистора представлена на рис. 1.2. Для расчетов и выбора  оптимальных режимов конкретный вариант характеристики  должен быть аппроксимирован отрезками прямых.

Внимание: по указанию преподавателя может  быть использована более точная кусочно-параболическая аппроксимация. Тогда в методических указаниях слова «линейный участок» следует заменить словами «параболический участок», а «кусочно-линейный» - словами «кусочно-параболический».

Подача напряжений на затвор полевого транзистора осуществляется с помощью цепей, описанных в работе № 1. Источником входного сигнала в данном случае служит внешний генератор синусоидальных колебаний, который должен быть подключен к гнезду 1; устанавливаемые первоначально значения частоты и напряжения: 15 кГц и 0,3В соответственно.

В качестве измерительных приборов используется вольтметр, осциллограф, анализатор спектра или прибор Актаком АСК-4106, причем для контроля входного напряжения можно пользоваться выходным вольтметром генератора синусоидальных колебаний. При наблюдении процессов на входе исследуемой цепи приборы  должны быть подключены к гнездам 1 или 4, а на выходе - к гнездам 5, как это показано на функциональной схеме исследований (рисунок 5.2).

 Вся работа проводится с использованием колебательного контура в качестве избирательной нагрузки униполярного транзистора (переключатель «R/LC» в положении «LС»).  Однако для наблюдения осциллограмм и спектрограмм тока стока (точнее - напряжения, которое образуется на резисторе R и пропорционально этому току), переключатель должен быть переведен в положение «R». В данном макете частота настройки контура f_о постоянна. Для выделения контуром n-ой гармоники входного сигнала частота последнего должна быть f_о/n.

Домашнее задание

1. Изучите по конспекту лекций и рекомендуемой литературе материал по  умножению частоты: [1, с. 76-83, 86-92], [2, с. 63-71], [3, с. 290-296], [4, c.275-278].

2. Аппроксимируйте сток-затворную характеристику, соответствующую выполняемому варианту задания. Выберите значения напряжения смещения для двух режимов на середине линейного участка.

3. Рассчитайте ряд значений напряжения смещения (E_зи) и соответствующие амплитуды сигналов (U_{m вх.}), необходимые для оптимального режима умножения частоты в n раз (число n указано в таблице, прилагаемой к стенду). При  выполнении расчета необходимо помнить, что максимальное  значение в импульсе тока стока должно оставаться постоянным для любой пары значений E_зи и U_{m вх.}.

В качестве руководства к расчету используйте п. 2 методических указаний в данной работе.

4. Приготовьте заготовку отчета и внесите в нее результаты выполненных расчетов.

Лабораторное задание

1. Исследуйте работу умножителя частоты при постоянном значении максимального тока в косинусоидальном импульсе тока; получите оптимальный режим.

Методические указания

5.1 Принципиальная схема макета №1 изображена на рисунке 5.1 и представляет собой схему усилителя на полевом транзисторе с нагрузкой в цепи стока. Переключатель «R/LC» устанавливается в положение «LC». Переключатель «R_ш » должен находиться в положении «выключено».

5.2 Положение рабочей точки выбирается на середине линейного участка сток затворной характеристики (рисунок 3.2), аппроксимированной отрезками прямых линий. Найденное значение напряжения смещения Е_ЗИ0 устанавливается потенциометром «СМЕЩЕНИЕ» и вносится в таблицу 5.1.

Таблица 5.1

n =        ,                f0 =          кГц,                  fвх = f 0/n         кГц,
Um вх, В
ЕЗИ, В
Uвх, В
Uвых, В
ICn, мА

5.3 Настройка в резонанс осуществляется путем перестройки частоты синусоидальных колебаний в диапазоне частот 15 кГц; U_вх = 0,3 В. Достижение резонанса фиксируется по показаниям вольтметра. Точное значение резонансной частоты f_о вносится в таблицу 5.1.

5.4 Подготовительный расчет напряжений необходим для экспериментального получения амплитудной характеристики умножителя частоты при условии, что максимальное значение тока в импульсе тока стока постоянно, i_cмакс. = const. Результаты расчета заносятся в первые четыре строки таблицы 5.1.

Кратность умножения n=2. Второе значение n берется из таблицы, прилагаемой к стенду. Резонансная частота f₀ колебательного контура та же, что при изучении усиления или определяется заново в соответствии с указаниями (см. п. 4.1.3). Действующие значения входного напряжения U_вх выбираются с шагом < 0,5 В в пределах от 0 до 3 В. При этом напряжение смещения рассчитывается по формуле

Е_ЗИ = -U_{m вх} + u_макс

где U_{m вх} – амплитуда входного сигнала, связанная с показаниями вольтметра, известным соотношением

U_вх = U_{m вх}/Ö2;

u_макс - максимальное входное напряжение;

u_макс = -0,1N

где N - номер лабораторного стенда, на котором бригада выполняет работу.

5.5 Режим умножения частоты обеспечивается настройкой в резонанс на n-ю гармонику входного колебания. Настройка ведется при подаче наибольших напряжений из таблицы 5.1. Частоту колебаний генератора варьируют в диапазоне  расчетного значения f_вх. Наступление резонанса фиксируется с помощью вольтметра и осциллографа, подключенных к контуру. Подстройку f_вх необходимо производить при всех измерениях нагрузки колебательного контура.

5.6 Амплитудная характеристика умножителя I_Cn = j₄(U_вх) рассчитывается по экспериментальным значениям, которые измеряются при последовательной установке напряжений, подготовленных в таблице 5.1.

I_Cn = U_вых/R_э0

где R_э0 - эквивалентное сопротивление контура на резонансной частоте. Его величина указана в таблице, прилагаемой к стенду. Амплитудную характеристику можно так же получить при помощи прибора АСК- 4106.

5.7 Временные диаграммы и спектры тока стока, а также выходного напряжения наблюдают и зарисовывают при  трех значениях напряжений Е_ЗИ0 и U_вх, подготовленных в таблице; минимальных ненулевых, наиболее близких к оптимальным, максимальных.

Для изучения влияния избирательных свойств контура на процесс умножения частоты используются два значения добротности контура; высокая (R_ш выключено) и низкая (R_ш включено). Таблица 5.2 задает рекомендованный порядок расположения (но не величину) временных диаграмм и спектров, размеры которых должны быть удобны для использования. По картине i_c(t) находят примерное значение угла отсечки q.

Таблица 5.2

EЗИ0, В Uвх, В
Временная картина ic(t)
q, градус
Спектр ic
Спектр uвых при Rш	вкл.
	выкл.

Отчет

Отчет должен содержать

1. Принципиальную схему исследованных устройств.

2. Исходную и аппроксимированную сток затворную характеристику полевого транзистора для соответствующего варианта.

3. Таблицы исходных, расчетных и экспериментальных данных.

4. Графики амплитудных характеристик j₁ - j₄ , а также осциллограммы и спектры исследованных процессов.

5. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Изобразить схемы  умножителей частоты.

2. С какой целью применяются умножители частоты?

3. Как выбрать оптимальный режим работы умножителя частоты?

4. Какова роль нелинейного элемента в схеме умножителя частоты?

5. Какова роль избирательной нагрузки в схеме умножителя  частоты?

6. Нелинейный элемент находится под моногармоническим воздействием. Как при изменении смещения нужно изменить амплитуду воздействующего напряжения (и наоборот), чтобы максимальное значение тока в импульсе тока оставалось неизменным? Как при этом будут изменяться форма и длительность импульса тока?

7. Как получить амплитудную характеристику умножителя частоты?

8. Какие требования предъявляются к нагрузке нелинейного элемента умножителя частоты?

9. Как можно получить осциллограмму импульсов тока стока, протекающих через контур?

6 Лабораторная работа № 4. Автоколебательная LС- цепь под внешним воздействием

Цель работы

Ознакомление с основными свойствами автоколебательной цепи, находящейся под воздействием гармонической э.д.с. Получение практических навыков при изучении явлений регенерации, синхронизации и деления частоты.

Схема работы и измерительная аппаратура

В данной работе используется макет № 2, схема которо­го была рассмотрена при изучении LС-генератора. Внешний сигнал вводится в схему (рисунок 6.1) с помощью гнезд 2. Для измерений используются генератор синусоидальных колеба­ний, осциллограф, вольтметр или прибор Актаком АСК-4106.

Домашнее задание

1. Изучите основные вопросы темы по конспекту лекций и литературе: [3, с. 121, 248-253, 257- 267, 269-274, 309-319, 325-329, 131, 350-357].

2. Подготовьте заготовку отчета.

Лабораторное задание

1. Изучите явления регенеративного усиления. Снимите зависимость коэффициента регенерации от величины взаимной индуктивности и амплитуды  сиг­нала. Получите резонансные  кривые  регенерированного контура и сравните их с резонансными кривыми  контура в отсутствие регенерации.

2. В возбужденном режиме наблюдайте явление синхронизации и  деления частоты. Исследуйте, как изменяются области синхронизации и деления частоты с изменением амплитуды сигнала.

Методические указания

6.1 Подготовка к работе

6.1.1 Функциональная схема измерений представлена на рис. 6.1. Пунктиром показаны соединения, необходимые для измерения частоты с помощью фигур Лиссажу при изучении воз­бужденного режима схемы.

6.1.2 Рабочая точка устанавливается на середине линей­ного участка сток­затворной характеристики полевого тран­зистора. Необходимое напряжение смещения определяется по конкретной характеристике i_с=f(U_зи), см. рисунок 3.2.

6.1.3 Критическое значение взаимной индуктивности нахо­дится при подключенных измерительных приборах, при этом напряжение внешнего сигнала с помощью регулятора выхода на генераторе должно быть установлено равным нулю.

Прежде всего, добиваются устойчивой генерации, для чего устанавливают М несколько большей величины, чем М_кр. Далее величину смещения подбирают так, чтобы амплитуда генерируемых колебаний стала максимальной. Уточненное значение E_зио записывают в таблицу 6.1. Наконец, плавным уменьшением М уменьшают амплитуду колебаний и опреде­ляют М_кр, при котором генерация прекращается. Соответ­ствующие данные заносятся в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

Eзи0 =                В,              Мкр =                            мГ,   Uвх =            мВ F0 =                 кГц,           без регенерации Uвых =                           В
М,             мГ
Uвых,     В
p

 6.2 Недовозбужденный режим, регенеративное усиление

6.2.1 Настройка в резонанс и получение наибольшего коэффициента регенерации выполняется при подаче на вход напряжения U_вх=1 мВ по выходному вольтметру генератора. Величина взаимной индуктивности устанавливается, возможно, ближе к критическому значению при сохранении неравенства.

Плавным изменением частоты генератора в пределах от 30 до 50 кГц осуществляется настройка в резонанс и определение величины f₀. Резонансная кривая в созданных условиях получается очень острой. При переключении пределов измерения вольтметра необходимо производить подстройку  частоты. Значение резонансной частоты записывается в таблицу 6.1.

При связи, близкой к критической, возникает опасность самовозбуждения. Чтобы убедиться в отсутствии генерации, нужно напряжение с помощью регулятора выхода внешнего генератора установить на 0. В отсутствие генерации напряжение на выходе также будет равно нулю. Если генерация возникла, следует уменьшить величину обратной связи.

Внимание: после того как возникла уверенность, что генерации нет, обе величины М и U_вых заносятся в таблицу 6.1. Туда же вписывается выходное напряжение U_вых без регенерации, для чего переключатель «ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ» устанавливается в положение «ОТКЛ.».

 6.2.2 Зависимость коэффициента регенерации от взаимной индуктивности p=j₁(M) снимается при тех же условиях, при которых была получена наибольшая величина p. Для этого цепь обратной связи замыкается вновь, а М уменьшается от максимального значения до нуля. Соответствующие величины вносятся в таблицу 6.1.

Особо следует обратить внимание на определение величины М = М’, заданной преподавателем для p=2¸5, что необходимо для выполнения п. 6.2.4.

6.2.3 Амплитудная характеристика регенеративной схемы U_вых=j₂(U_вх) снимается при наибольшей взаимной индук­тивности М<М_кр, полученной в таблицу 6.1. Для этого входное напряжение U_вх изменяется декадным переключателем внеш­него генератора от 1 мВ до 1 В. Полученные данные вно­сятся в таблицу 6.2, по которой вычисляется и строится зависимость p=j₃(U_вх). Амплитудную характеристику можно так же получить при помощи прибора АСК- 4106.

 Таблица 6.2

M =                       мГ,          без регенерации Uвых =                       В
Uвх,     мВ
Uвых,       В
P

6.2.4 Частотные характеристики сравниваются по полосам пропускания при следующих условиях:

а) M=0, U_вх=1 мВ;

б) М=М', U_вх=1 мВ;

в) М=М', U_вх=1 В.

Величина М=0 обеспечивается отключением цепи положи­тельной обратной связи переключателем «ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ»; в качестве М' берется значение, найденное в п. 6.2.2. Получен­ные данные помещаются в таблицу 6.3; f₂ и f₁ - граничные час­тоты полосы пропускания.

Таблица 6.3  

6.3 Возбужденный режим, синхронизация

6.3.1 Захват частоты наблюдается при переводе той же схе­мы в возбужденный режим, для чего устанавливается М=М_макс>М_кр. Частота внешнего генератора подбирается так, чтобы фигура Лиссажу на экране осциллографа свиде­тельствовала о совпадении частот на входе и выходе схемы.

6.3.2. Границы области захвата определяются путем изме­нения частоты внешнего генератора вверх (f_в) и вниз (f_н) от резонансной частоты f₀ до срыва генерации и возникнове­ния «биений». Данные о границах области захвата f_в = j₄(U_вх) и f_н = j₅(U_вх) при трех различных уровнях сигнала U_вх за­носятся в табл. 4.4, записывается кратность изменения час­тоты n; фигура Лиссажу, соответствующая захвату, за­рисовывается.

Таблицы 6.4 и 6.5

6.3.3 Деление частоты наблюдается при тех же условиях, что и захват, после перестройки внешнего генератора на новую входную частоту f_вх =nf_о, где n - кратность деления, задаваемая преподавателем в пределах от 2 до 5.

6.3.4 Границы области деления определяются в соответствии с п. 6.3.2. Данные о зависимостях f_в = j₆(U_вх) и f_н = j₇(U_вх) помещаются в таблицу 6.5. Зарисовывается фигура Лиссажу.

Отчет

 Отчет должен содержать

1. Принципиальную схему регенератора.

2. Таблицы результатов измерений и график зависимостей.

3. Осциллограммы фигур Лиссажу.

4. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Изобразить эквивалентную схему генератора. Какое условие должно выполняться для того, чтобы в схеме возник автоколебательный режим?

2. При каком условии цепь с положительной обратной связью будет потенциально-автоколебательной?

3. Нарисовать схему регенератора и эквивалентную схему регенерированного колебательного контура.

4. Чем отличается схема регенератора от схемы LC-гене­ратора?

5. Записать выражения для активного сопротивления и доб­ротности регенерированного контура.

6. Что такое коэффициент регенерации?

7. Что следует понимать под «слабым» сигналом?

8. Как зависит коэффициент регенерации от коэффициен­та взаимной индуктивности (от значения параметра возбуж­дения m)?

9. Как зависит коэффициент регенерации от амплитуды входного сигнала?

10. Изобразить на одном графике резонансные кривые обычного контура и контура, регенерированного при М, близком к М_кр. Объяснить, почему эти кривые не совпадают?

11. Как изменится и во сколько раз ширина полосы про­пускания регенерированного контура по сравнению с обыч­ным при слабом сигнале?

12. Нарисовать и объяснить ход резонансной кривой ре­генерированного контура при М, близком к М_кр , и сильном сигнале.

13. В чем состоит и чем объясняется явление захвата час­тоты?

14. Как зависит ширина полосы захвата от амплитуды приходящих колебаний?

15. В чем состоит и чем объясняется регенеративное деле­ние частоты?

16. Как зависит ширина области деления от амплитуды входного сигнала?

7 Лабораторная № 5. Генератор RС

Цель работы

Исследование одной из схем RС-генератора. Получение практических навыков при исследовании теории само­возбуждения, стационарного и переходного режима RC-генератора.

Схема работы и измерительная аппаратура

В работе используется макет № 3, принципиальная схема которого приведена на рисунке 7.1. Исследуемый RС-генератор выполнен на основе двухкаскадного усилителя с цепью по­ложительной обратной связи в виде фазобалансной цепи (ФБЦ) и с нелинейной инерционной цепью отрицательной обратной связи (ИОС). Усилитель собран на двух полевых транзисторах, коэффициент усиления первого каскада регу­лируется потенциометром с надписью «УСИЛЕНИЕ».

Трехпозиционный тумблер в левой части макета позво­ляет изучать следующие цепи:

а) RС-генератор с фазобалансной цепью - положение 1;

б) фазобалансную цепь и отдельно двухкаскадный апе­риодический усилитель - положение 2;

в) двухкаскадный усилитель, у которого выход соединен со входом непосредственно без ФБЦ, - положение 3.

Изменение параметров фазобалансной цепи, а также час­тоты генерируемых колебаний осуществляется с помощью сдвоенного потенциометра с надписью «ЧАСТОТА».

Прерыватель предназначен для периодического обрыва и включения положительной обратной связи во время наблю­дения переходных процессов. Для включения прерывателя (только при выполнении п. 3) служит специальный тумблер.

Отдельный тумблер позволяет подключить цепь ИОС.

Гнезда 1 и 2 предназначены для включения измерительных приборов на вход и выход фазобалансной цени, гнезда 3 и 4 - на вход и выход исследуемого генератора (усилителя).

Измерения производятся с помощью внешнего генератора синусоидальных колебаний, осциллографа, вольтметра или прибора Актаком АСК-4106.

Домашнее задание

1. Изучите основные вопросы темы по конспекту лекций и литературе: [1, с. 223-245, 262-271], [2, с. 177-191, 193-198]; [3, с. 359-364].

2. Рассчитайте частоту колебаний, генерируемых при двух крайних положениях потенциометра фазобалансной цепи. Необходимые для расчета параметры указаны в таблице, прилагаемой к стенду для макета № 3.

Рассчитайте и постройте фазо- и амплитудно-частотную характеристики фазобалансной цепи для одного из крайних положений потенциометра «ЧАСТОТА».

3. Подготовьте заготовку отчета и внесите в соответству­ющую таблицу рассчитанные величины.

Лабораторное задание

1. Изучите режим самовозбуждения и с помощью величины петлевого усиления, найденной в эксперименте, проверьте «условие амплитуд».

2. В стационарном режиме изучите влияние параметров фазобалансной цепи на частоту генерируемых синусоидаль­ных колебаний. Наблюдайте зависимость формы колебаний от коэффициента усиления, от наличия нелинейной инерционной обратной связи.

3. Получите релаксационные колебания, изучите влияние усиления на их частоту.

4. Изучите колебания в переходном режиме и фазовый портрет.

5. Функциональные узлы RС-генератора изучите по указанию преподавателя.

Методические указания

7.1 Условие самовозбуждения

7.1.1 Функциональная схема исследования представлена на рисунке 7.2. Цепь отрицательной обратной связи (ИОС) и прерыватель выключены.

7.1.2 Возбуждение генератора осуществляется путем плав­ного увеличения усиления потенциометром «УСИЛЕНИЕ» при включенной фазобалансной цепи (трехпозиционный тумблер в положении 3). Положение потенциометра «ЧАСТОТА»  произвольно, но неизмен­но в данном параграфе. Положение потенциометра «УСИЛЕНИЕ» выбирается чуть дальше критического, чтобы колебания на экране осцил­лографа были устойчивы и имели синусоидальную форму. После чего измеряется величина генерируемых колебаний U_г и записывается в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Uг =                  В,             ¦г =                         кГц
Uвх ус	К	¦0 ФБЦ	Uвх ФБЦ	b	bК

7.1.3 Частота возбуждения колебаний ¦_г определяется с помощью фигур Лиссажу и записывается в ту же таблицу. Значение частоты лежит ориентировочно в пределах от 1 до 5 кГц.

7.1.4 Коэффициент усиления К усилителя определяется при выбранных положениях потенциометров на частоте ¦_г после отключения цепи положительной обратной связи (трехпозиционный тумблер в положении 2). На вход усилителя (гнездо 3) подается напряжение U_{вх ус} такой величины, чтобы на выходе вновь получить напряжение, равное U_г. Найденные значения U_{вх ус} и К=U_г/U_{вх ус} заносятся в таблицу 7.1.

7.1.5 Частота нулевого фазового сдвига ¦_{0 ФБЦ} фазобалансной цепи определяется с помощью фигуры Лиссажу. Для этого внешний генератор подключается на вход цепи (гнезда 1), а измерительные приборы на ее выход (гнезда 2). Найденное значение частоты помещают в ту же таблицу.

Совпадение фазы колебаний на обоих входах осциллографа, соответствующих входу и выходу для фазобалансной цепи, имеет место при вырождении эллипса на экране в прямую с положительным наклоном.

7.1.6 Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи b определяется на частоте нулевого фазового сдвига ¦_{0 ФБЦ}. Для этого удобно на вход фазобалансной цепи подать напряжение такой величины U_{вх ФБЦ}, чтобы на ее выходе получить напряжение, равное U_{вх ус}. Коэффициент передачи подсчитывается тогда по формуле b=U_{вх ус}/U_{вх ФБЦ}. Соответ­ствующие величины также вносятся в таблицу 7.1.

Петлевое усиление рассчитывается по формуле b*К.

7.2 Стационарный режим

7.2.1 Колебания практически синусоидальной формы с наи­большей амплитудой получают на выходе исследуемого ге­нератора, включив фазобалансную цепь. Внешний генера­тор, цепь отрицательной обратной связи и прерыватель долж­ны быть отключены. Регулятором «УСИЛЕНИЕ» постепенно увеличивают амплитуду, наблюдая за формой колебаний. При появлении первых признаков искажений (отклонения от си­нусоидальной формы) увеличение амплитуды прекращают. После этого зарисовывают временную диаграмму и записы­вают соответствующие значения напряжения на выходе.

7.2.2 Колебания несинусоидальной формы получают при тех же условиях, установив регулятор «УСИЛЕНИЕ» в край­нее правое положение. Временную диаграмму располагают под полученной в п. 7.2.1 с сохранением масштаба; записывают величину напряжения.

7.2.3 Колебания синусоидальной формы получают, вклю­чив нелинейную инерционную цепь отрицательной обратной связи. При этом надо иметь в виду, что после включения ИОС из-за инерционности схемы колебания возникают не сразу. Временную диаграмму располагают с сохранением масштаба под имеющимися двумя, записывают величину на­пряжения и его период Т. Для определения периода надо вос­пользоваться оцифровкой развертки переключателей осцил­лографа.

7.2.4 Зависимость частоты синусоидальных колебаний от параметров фазобалансной цепи наблюдают, измерив перио­ды Т₁ и 7₂ при крайних положениях сдвоенного потенциомет­ра. Если осциллограф не имеет калиброванной длительнос­ти развертки, следует измерять не периоды, а частоты коле­баний с помощью фигур Лиссажу. Найденные величины за­писывают в таблицу 7.2.

Таблица 7.2

Т1	¦1	¦р1	T2	¦2	¦р2
мс	кГц	кГц	мс	кГц	кГц

 

В эту таблицу помещают и расчетные значения частот ¦_р1 и ¦_р2. Необходимые для расчета параметры указаны в таблице, прилагаемой к стенду. В заключение проверяют, зависит ли частота генерируемых колебаний от амплитуды (т. е. от положения ручки «УСИЛЕНИЕ»).

7.2.5 Релаксационные колебания получают и зарисовывают, соединив вход схемы с входом непосредственно (без использования фазобалансной цепи). Для этого трехпозиционный тумблер должен быть установлен в положение 1.

Таблица 7.3

U, В
Т, мс
¦р*к, кГц

7.2.6 Зависимость частоты релаксационных колебаний от их интенсивности ¦_р*к = j₁(U) получают путем измерения периода колебании при разной величине генерируемого напряжения. Напряжение меняют потенциометром «УСИЛЕНИЕ», период измеряют по осциллограмме, данные вносятся в таблицу 7.3.

7.3 Переходной режим

7.3.1 функциональная схема измерений представлена на рис. 7.З. Генератор переводится в стационарный режим (см. п. 7.2.1) и включается прерыватель.

 

7.3.2 Временные диаграммы наблюдают и зарисовывают при включенной развертке осциллографа. Регулировкой уси­ления добиваются на экране четкой картины роста колебаний от нулевых амплитуд до стационарных.

7.3.3 Фазовый портрет наблюдают и зарисовывают, вклю­чив развертку осциллографа и выбрав усиление по осям X и У.

7.3.4 Повторить п.п. 7.3.2 и 7.3.3, предварительно выполнив по указанию преподавателя установки, указанные в п.п. 7.2.2, 7.2.3, и 7.2.5.

7.4. Функциональные узлы генератора

7.4.1. Амплитудно-частотная характеристика К=j2(¦) фазобалансной цепи снимается при подключении внешнего генератора к входным гнездам 1 и вольтметра к выходным гнездам 2 (рисунок 7.4). Частоту изменяют декадным переключателем, взяв за исходное значение ¦_{0 ФБЦ}, которое соответствует выбранному положению сдвоенного потенциометра в фазобалансной цепи. АЧХ можно так же получить при помощи прибора АСК- 4106. Экспериментальные данные и результат расчета помещают в таблицу 7.4.

Таблица 7.4

7.4.2 Амплитудные характеристики усилителя получают и сравнивают при выключенной и включенной цепи отрица­тельной обратной связи (НОС): U_вых =j₃(U_вх), U_{вых ИОС} =j₃(U_вх). Для этого генератор переключают на гнезда 3, а осциллограф и вольтметр на гнезда 4 (рисунок 7.5). Обе характе­ристики снимают одновременно пу­тем переключения тумблера ИОС. Данные вносят в таблицу 7.5; отмеча­ют напряжения, при которых делаются заметными нелинейные искажения формы колебаний, а также напряжение, при котором обе характеристики начинают расходиться. Амплитудную характеристику можно так же получить при помощи прибора АСК- 4106.

 

 

Таблица 7.5

Uвх, В
Uвых, В
Uвых ИОС, В

7.4.3 Инерционные свойства используемой цепи отрицатель­ной обратной связи наблюдаются по запаздыванию установившихся изображений на экране осциллографа при включе­нии цепи ИОС, а также при резких изменениях положения потенциометра «УСИЛЕНИЕ», если цепь ИОС включена. Результаты наблюдений заносятся в отчет.

Отчет

Отчет должен содержать

1. Принципиальную схему RC-генератора.

2. Таблицы расчетных и экспериментальных данных.

3. Графики полученных и расчетных зависимостей.

4. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Нарисовать схему RC-генератора с фазобалансной Цепью.

2. Объяснить назначение фазобалансной цепи.

3. Изобразить примерный вид амплитудно- и фазочастотных характеристик фазобалансной цепи.

4. Записать условие самовозбуждения.

5. Записать выражения для частоты генерируемых коле­баний.

6. Нарисовать схему двухкаскадного RC-генератора.

7. Изобразить схему однокаскадного генератора с трехзвенной цепью обратной связи на лампе и транзисторе.

8. Объяснить назначение трехзвенной RC-цепи.

9. Записать выражение для частоты генерируемых колеба­ний.

10. Почему форма колебаний в RC-генераторе без инерцион­ной нелинейной обратной связи хуже, чем в LC-генераторах? Каковы способы ее улучшения?

11. Поясните принцип действия инерционной обратной свя­зи.

12. Назвать недостатки и преимущества RC-генераторов.

13. Зарисовать картину нарастания колебаний в генера­торе.

14. Зарисовать фазовый портрет генератора синусоидаль­ных и релаксационных колебаний.

 

 

8 Лабораторная работа № 6. Реализация согласованного фильтра

Цель работы

Целью данной лабораторной работы является изучение согласованных фильтров на примере фильтра, согласованного с одним и с пачкой видеоимпульсов.

Схема работы и измерительная  аппаратура

Лабораторный стенд предназначен для исследования работы согласованного фильтра и состоит из четырех модулей

1.   Модуль контроля знаний.

2.   Модуль построения и исследования структурной схемы согласованного фильтра.

3.   Модуль настройки входного сигнала.

4.   Модуль построения характеристик сигнала и фильтра согласованного с одиночным прямоугольным видеоимпульсом.

Описание модуля контроля знаний

Данный модуль является стартовым, и предназначен для контроля знаний в виде теста к выполнению лабораторной работы. Для допуска к работе студенту необходимо правильно ответить на пять вопросов из пяти.

Описание модуля построения и исследования структурной схемы согласованного фильтра

Данный модуль загружается после прохождения студентом теста.

Описание панелей

1.   Свойства точки – эта панель используется для назначения точке функций (суммирование, интегрирование, усиление).

2.   Пересылки – эта панель используется для пересылки только в одном направлении значений хранящихся в  точке другим точкам.

3.   Задержка – эта панель используется для назначения задержки для выбранной точки.

4.   Каналы – эта панель используется для передачи в точку значений с входа фильтра или передачи значений из точки к выходу.

Описание кнопок

1.   Настройки – эта кнопка предназначена для перехода в модуль настройки входного сигнала.

2.   Графики – эта кнопка  предназначена для перехода в модуль построения характеристик сигнала и фильтра, согласованного с одиночным прямоугольным видеоимпульсом.

3.   Сигнал – эта кнопка используется для подачи сигнала на вход при активизированной системе.

4.   Сброс – эта кнопка используется для сброса структурной схемы и всех параметров.

5.   Сброс параметров – эта кнопка используется для сброса параметров и отчистки записанного, с точки «Выход», сигнала.

Условия правильной работы стенда

В структурной схеме должны быть исключены все циклы, то есть структурная схема не должна быть рекурсивной.

Описание работы стенда

Нажимая на квадраты (поле расположено в левой части экрана) левой кнопкой мыши, выберите в панелях справа необходимую функцию для данного блока. Установив необходимую функцию, в блоке появится соответствующая картинка. Нажав на любом другом блоке, вы соедините их однонаправленным вектором, который будет передавать преобразованные параметры следующему блоку.

Последовательно расставляя блоки и соединяя их векторами (щелкая правой кнопкой мыши в блок, куда необходимо переправлять обработанный сигнал), вы можете собрать структурную схему, синтезированного вами согласованного фильтра. Перейдя в модуль настройки входного сигнала, выберите параметры сигнала и нажмите на кнопку «Создать сигнал». Выбрав пункт «Активизировать» в основном окне, нажав на кнопку «Сигнал», вы подадите в точку СИГНАЛ выбранный вами сигнал, который по векторам, направленным из данной точки, будет последовательно передаваться во все остальные блоки.

Описание модуля настройки входного сигнала (кнопка «Настройка»)

Данный модуль предназначен для настройки входного сигнала, поступающего на точку СИГНАЛ.

Описание панелей

1.   Шум – эта панель предназначена для настройки параметров шума. В данной работе используется нормальный шум, амплитуда которого может быть задана на этой панели.

2.   Сигнал – эта панель предназначена для настройки параметров входного сигнала без шума.

Так же установкой переключателей можно изменять форму входного сигнала.

Описание модуля построения характеристик сигнала и фильтра согласованного с одиночным прямоугольным видеоимпульсом

Кнопка «Графики»

Описание панелей

1.   Частотные характеристики – данная панель предназначена для  построения спектральной плотности прямоугольного видеоимпульса и амплитудно-частотной характеристики фильтра, согласованного с данным импульсом.

2.   Временные характеристики – данная панель предназначена для построения зависимости входного сигнала от времени, и импульсной характеристики фильтра согласованного, с выбранным сигналом.

Измерения

Для исследования согласованного фильтра необходимо вычислять отношение сигнал/шум, для чего можно воспользоваться следующей формулой

 (8.1)

где U_о=0,775 В (абсолютный нулевой уровень).

Лабораторный стенд позволяет найти величину L как 10,  умноженное на десятичный логарифм отношения максимального значения, найденного на точке Выход на всем протяжении показанного сигнала, к абсолютному нулевому уровню. 

Алгоритм измерения отношения сигнал/шум:

1.   Подайте сигнал на точку ВЫХОД  без шума, подождите, пока не установится значение абсолютного уровня по максимальному напряжению. Это будет значение Ls.

2.   Нажмите на кнопку «Сброс параметров», и, не подавая полезный сигнал, выберите «ШУМ». Подождите, пока установится значение абсолютного уровня по максимальному напряжению. Это будет значение Lш.

Краткая теоретическая справка

Согласованным фильтром для сигнала s(t) называют линейный пассивный фильтр с постоянными параметрами и ИХ

h(t) = a g(t₀ - t)                                                          (8.2)

где а, t₀ — постоянные. Функция g(t) является зеркальным отображением s(t) относительно оси, проведённой через точку t₀/2 (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1 - Сигнал S(t) и импульсная характеристика g(t) линейного фильтра, согласованного с этим сигналом

Согласованный фильтр – это линейный фильтр, на выходе которого отношение сигнал/шум достигает своего максимального значения, то есть с минимальным ослаблением пропустить полезный сигнал и максимально подавить шум. При этом, естественно, модуль частотного коэффициента передачи должен быть пропорционален модулю спектральной плотности сигнала. Такое условие достигается следующим равенством: h_согл(t)=ks_вх(t₀-t). Тогда выходной сигнал можно представить в следующем виде

 (8.3)

где s_с – это сигнал, с которым согласован данный фильтр, определенный на промежутке от 0 до t;

s_вх – это сигнал на входе согласованного фильтра, определенный на промежутке от 0 до t;

s_вых – это сигнал на выходе согласованного фильтра;

h_согл(τ) – это импульсная характеристика согласованного фильтра.

Формула (8.3) есть формула, вычисляющая взаимокорреляционную функцию, умноженную на коэффициент k.

В случае, если s_с= s_вх, то на выходе согласованного фильтра напряжение пропорциональное взаимокорреляционной функции сигналов, переходит в автокорреляционную функцию

 = a B_s(τ – t) (8.4)

 

Так, вариант фильтра, согласованного с прямоугольным радиоимпульсом s(t) = а cos(ω₀t + φ₀), заданным на интервале (0,Т), причём ω₀t= 2πn, п - целое, показан на рисунке 8.1. Он состоит из идеального колебательного контура без потерь), настроенного на частоту (00 и фазовращателя, сдвигающего фазу колебаний контура на φ₀). Линия задержки на Т в схеме и инвертор обеспечивают гашение колебаний фильтра вне интервала (0,Т), импульсная же реакция фильтра на этом интервале с учётом фазовращателя g(t)=acos(ω₀(t-T)-φ₀) = асоs(ω₀ (Т-t)+ φ₀) = as(T -t), что и обеспечивает согласование.

Рисунок 8.2 - Реализация фильтра, согласованного с прямоугольным радиоимпульсом.

Схема с согласованными фильтрами, на первый взгляд, кажется проще схе­мы с активными фильтрами, поскольку в ней нет опорных генераторов и не возникает проблемы обеспечения их когерентности (согласования по фазе с приходящим сигналом). Однако и в схеме с согласованными фильтрами имеются свои практические трудности. В этом можно убедиться, сравнив, напри­мер, эпюры напряжений (без учёта помех в канале) на выходе фильтра (рисунке 8.3), согласованного с прямоугольным радиоимпульсом (рисунок 8.3, а), и на выходе интегратора активного фильтра (рисунок 8.3, в). Отметим, что всюду, за исключением точки t= Т, напряжения на выходах обоих фильтров отлича­ются друг от друга.

Из рисунков видно, что допустимая неточность во времени Δt снятия от­счёта максимума сигнала на выходе активного фильтра значительно больше, чем при снятии отсчёта максимума сигнала на выходе согласованного фильтра. При активном фильтре достаточно потребовать, чтобы неточность взятия от­счёта была мала по сравнению с тактовым интервалом, а при согласованном фильтре - по сравнению с периодом высокочастотного заполнения радиоимпульса (так называемый когерентный отсчет). Трудность обеспечения коге­рентного отсчёта в согласованном фильтре вполне соизмерима с трудностью реализации когерентных опорных генераторов в активном фильтре.

Отметим одно важное обстоятельство, свойственное согласованному фильтру. Пусть на его вход поступает колебание z(t), а фильтр согласован с финитным сигналом s(t). Тогда сигнал на его выходе в момент времени t

.               (8.5)   

 

Рисунок 8.3 - Сигналы на выходе согласованного фильтра и корреляционной схемы при подаче на вход прямоугольного радиоимпульса: (а) импульс на входе; (б) импульс на выходе согласованного фильтра; (в) напряжение на выходе интегратора активного фильтра

Частотный коэффициент передачи согласованного фильтра выражается через спектральную плотность сигнала и равен

.  (8.6)

То есть, зная спектральную плотность сигнала, мы можем синтезировать фильтр, который будет согласован только с данным сигналом.

При этом известно следующее:

- умножение на k в спектральной области обеспечивает звено линейного усилителя, с усилением, равным k;

- деление на jw в спектральной области обеспечивает звено идеального интегратора;

- умножение на 1 - exp(-jwt₀) обеспечивает устройство, состоящее из звена задержки на t₀, инвертора и сумматора. t₀ – это длительность одного импульса. Структурная схема данного устройства изображена на рисунке 8.4;

- умножение на (1 + exp(-jwT) + exp(-2jwT) + … + exp(-NjwT)) обеспечивает звено линии задержки. T – это период следования импульсов.

Структурная схема данного устройства изображена на рисунке 8.5.

Последовательное соединение любого из вышеперечисленных устройств, будет давать перемножение их частотных коэффициентов. Используя данное свойство, можно синтезировать два вида согласованных фильтров:  согласованный с одним прямоугольным видеоимпульсом  и согласованный с пачкой одинаковых видеоимпульсов.

 

	Рисунок 8.4                                         Рисунок 8.5

 

 

Слу­чайный процесс, характеризуемый СПМ G₀(f)=N₀, равномерной на всех час­тотах (рисунок 8.6), называют белым шумом (по аналогии с белым светом в оп­тике).

                

Рисунок 8.7 - Функции корреляции  белого шума

Рисунок 8.6 - Спектральные плотности средней мощности белого шума

  

 

 

 

У белого шума два несовпадающих сечения не коррелированны; КФ белого шума выражается δ-функцией (рисунок 8.7)

.             (8.7)

Белый шум является математической идеализацией реального процесса, так как средняя мощность (B(0)), необходимая для создания такого процесса, оказывается бесконечно большой. Вместе с тем случаи, когда реаль­ный спектр помехи можно аппроксимировать белым шумом, встречаются в практике достаточно часто.

Домашнее задание

1. Изучите основные вопросы темы по конспекту лекций и литературе: [4, с. 419-435], [8, с. 180-186].

2. Ознакомиться с описанием работы.

3. Подготовьте заготовку отчета и внесите в соответству­ющую таблицу рассчитанные величины.

Оформить заготовку отчета, в которой необходимо:

- указать наименование и цель работы, дату выполнения и номер варианта;

- отобразить исходные данные для самостоятельных расчетов;

- вычертить структурные схемы по каждому пункту исследования.

Лабораторное задание

1.   Синтезируйте фильтр, согласованный с одиночным прямоугольным видеоимпульсом.

2.   Исследуйте свойства фильтра, согласованного с одиночным прямоугольным видеоимпульсом.

3.   Исследуйте работу фильтра, согласованного с одиночным прямоугольным видеоимпульсом в качестве коррелятора.

4.   Синтезируйте фильтр, согласованный с пачкой одинаковых видеоимпульсов.

5.   Исследуйте работу фильтра, согласованного с пачкой одинаковых  видеоимпульсом в качестве коррелятора.

Методические указания

8.1 Контроль подготовленности к работе

Проверка предварительных расчетов и теоретической подготовки (вводный коллоквиум) осуществляется автоматически с помощью компьютера. Для открытия рабочего окна лабораторной работы студент должен ответить на пять тестовых вопросов.

8.2 Фильтр, согласованный с одиночным видеоимпульсом

8.2.1 Выбор входного сигнала. Из таблицы 8.1 выберите параметры согласно варианту указанным преподавателем.

8.2.2 Исследование свойств фильтра, согласованного с прямоугольным видеоимпульсом

8.2.2.1 Синтезируйте согласованный фильтр, зная частотный коэффициент передачи фильтра, согласованного с прямоугольным видеоимпульсом

,

 

при заданной из таблицы 8.1 энергии видеоимпульса, согласно варианту, заданному преподавателем.

Таблица 8.1 - Заданные параметры

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Энергия видеоимпульса, н	100	125	150	200	250	300	350	400	450	500
Коэффициент усиления фильтра (k)	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Амплитуда белого шума, мВ	1	2	3	4	5	6	7	1	2	3

8.2.2.2 Оптимизация параметров согласованного фильтра. Варьируя параметрами сигнала (длительностью [минимальная длительность видеоимпульса 25 мс] и амплитудой, ), синтезируйте два фильтра для двух сигналов с одинаковой энергией. Запишите выбранные параметры.

8.2.2.3 Изучение характеристик согласованного фильтра. Для обоих фильтров в модуле построения характеристик сигнала (Кнопка «Графики»), постройте и зарисуйте АЧХ, ФЧХ и временные характеристики.

8.2.2.4 Исследуйте свойства согласованного фильтра, используемого в качестве коррелятора.

Для этого подайте на вход одного из синтезированных вами ранее фильтров сигнал без белого шума. Подайте сигнал и зарисуйте функцию автокорреляции сигнала. Подайте смесь сигнал/шум на вход фильтра и зарисуйте функцию автокорреляции.

Изменяя амплитуду белого шума, выберите его допустимый максимальный уровень на входе согласованного фильтра, при котором функция взаимной корреляции на выходе не будет сильно искаженной.

Подайте на вход одного из синтезированных вами фильтров сигнал не прямоугольной формы (таблица 8.2) и без белого шума (в модуль настройки входного сигнала выберите сигнал по указанию преподавателя). Проследите, во сколько раз уменьшился выходной сигнал по сравнению с прямоугольным импульсом. И сравните это уменьшение с уменьшением энергии сигнала.

Таблица 8.2 

№	1	2	3	4	5	6

8.2.2.5 Изучение фильтрующих свойств согласованного фильтра. Замерьте отношение сигнал/шум без фильтрации и с фильтрацией сигнала. Для измерения отношения сигнал/шум без фильтрации установите точку ВЫХОД в свободный блок и из точки СИГНАЛ  проведите вектор в точку ВЫХОД.

8.3 Цифровой фильтр, согласованный с пачкой импульсов 

8.3.1 Исследование свойств фильтра, согласованного с пачкой одинаковых видеоимпульсов

8.3.1.1 Синтезируйте согласованный фильтр, зная частотный коэффициент передачи фильтра, согласованного с пачкой одинаковых видеоимпульсов

при заданной из таблицы 8.1 энергии видеоимпульса, согласно варианту, заданному преподавателем.

8.3.1.2 Оптимизация параметров согласованного фильтра. Варьируя параметрами сигнала (длительностью [минимальная длительность видеоимпульса 10 мс] и амплитудой, , количеством импульсов), синтезируйте два фильтра для двух сигналов с одинаковой энергией. Синтезируя один из фильтров, примените метод наименьшей длительности входного сигнала, а, синтезируя второй фильтр, метод наименьшей амплитуды входного сигнала. Запишите выбранные параметры.

8.3.1.3 Исследуйте свойства согласованного фильтра, используемого в качестве коррелятора.

Для этого подайте на вход одного из синтезированных вами ранее фильтров сигнал без белого шума. Подайте сигнал и зарисуйте функцию автокорреляции сигнала. Подайте смесь сигнал/шум на вход фильтра и зарисуйте функцию корреляции.

Изменяя амплитуду белого шума, выберите его допустимый максимальный уровень на входе согласованного фильтра, при котором функция взаимной корреляции на выходе не будет сильно искаженной.

8.3.1.4 Изучение фильтрующих свойств согласованного фильтра. Замерьте соотношение сигнал/шум без фильтрации сигнала и с фильтрацией сигнала.

Найдите максимально возможное значение белого шума, при котором отношение сигнал/шум не менее 5 дБ.

Сравнить полученные в ходе исследований результаты и сделать выводы о фильтрующих и корреляционных свойствах согласованного фильтра, его частотных и временных характеристиках. Объяснить физическую сущность наблюдаемых зависимостей.

Отчет

Отчет должен содержать

1. Принципиальную схему согласованного фильтра.

2. Таблицы расчетных и экспериментальных данных.

3. Графики полученных и расчетных зависимостей.

4. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое согласованный фильтр?

 2. От чего зависит отношение сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра?

 3. Какова комплексно - частотная характеристика частотного фильтра?

 4. Поясните механизм работы согласованного фильтра.

 5. Какова форма напряжения на выходе согласованного фильтра?

 6. Какова импульсная характеристика согласованного фильтра?

 7. Поясните, почему значение t₀ должно быть больше или равно длительности сигнала.

 8. Покажите, что импульсная характеристика рассматриваемого согласованного фильтра является зеркальным отображением сигнала.

9. Что дает согласованная фильтрация?

10. Какими параметрами должен обладать согласованный фильтр максимизирующий отношение сигнал/помеха (при белом шуме).

11. Что должен сделать согласованный фильтр для создания максимального мгновенного значения сигнала на выходе?

12.  Каков частотный коэффициент передачи согласованного фильтра?

13. Как выглядит сигнал на выходе согласованного фильтра при воздействии на входе сигнала, с которым согласован данный фильтр, без шума?

14. Как выглядит сигнал на выходе согласованного фильтра при воздействии на входе сигнала, с которым согласован данный фильтр, и белого шума?

15. К  классу каких фильтров относится согласованный фильтр?

16. От  чего зависит максимум отношения сигнал/шум на выходе согласованного фильтра при помехе в виде белого шума?

17. Определите, чему равна t_з линии задержки фильтра, согласованного с прямоугольным видеоимпульсом длительностью Т_с?

 

 

Приложение А

Инструкция к эксплуатации прибора Актаком АСК-4106

Комбинированный прибор представляет собой приставку к персональному компьютеру, выполненную в виде отдельного модуля. На передней панели находятся 6 разъёмов. Левые 3 разъема – разъёмы осциллографа: канал А. канал В и вход синхронизации. Правые 3 разъема – разъёмы генератора: канал А. канал В и вход синхронизации. Индикатор выше входа синхронизации – индикатор режима работы прибора. Если он зеленый, то питание есть, если мигает красно-зелёным, то происходит загрузка сигнала, и следует дождаться её окончания.

Подключить комбинированный прибор.

Взять 2 соединительных кабеля. Соединить канал А генератора к гнезду входа исследуемого макета, а затем канал А осциллографа к гнездам выхода макета.

Запустить Пуск/Программы/Актаком/Режим генератора сигналов

В редакторе канала А задать исследуемые сигналы (sin, пила, прямоугольник, треугольник).

Рисунок А.1 - Режим генератора сигналов

Для заданного сигнала:

а) во вкладке «форма» выбрать форму сигнала;

б) в закладке «формула» откорректировать сигнал в соответствии с заданным вариантом. Экспоненциальный сигнал задаётся непосредственно в закладке «формула».

После выбора формы выполнить команду построить, а затем подтвердить (зелёная галочка).

Во вкладке Характеристики/Импульс выписать характеристики обоих сигналов: амплитуду, медиану, среднее значение, среднеквадратичное значение (СКЗ), период и длительность импульса.

Выполнить команду загрузить, а затем запустить.

Затем перейти в режим осциллографа–анализатора, нажав режим/осциллограф–анализатор.

Рисунок А.2 - Задатчик формы сигналов

В режиме осциллографа–анализатора через вкладку панели включить панель «управление» и панель «измерение», не забыв подключить каналы.

При необходимости настроить сигнал с помощью панели управления. Также можно использовать команду «попытаться автоматически настроиться на сигнал» (рядом с кнопкой панели).

Сохранить полученные изображения сигналов, с помощью клавиши записать измерения в файл как изображение (рядом с клавишей настройки). Записать данные в файл с помощью соответствующей клавиши.

Подключить панель «параметры импульса». Нажав клавишу, включить измерения (жёлтая). Остановив их, снова нажав эту клавишу. Снять параметры сигналов: амплитуду, медиану, среднее значение, среднеквадратичное значение (СКЗ), период и длительность импульса.

Графики характеристик. Зависимость среднеквадратического значения (СКЗ) амплитуды выходного сигнала от частоты входного сигнала (амплитудно-частотная характеристика, АЧХ) изображается на вкладке "частотные". Ось значений этого графика может работать в двух режимах. В первом режиме по этой оси откладывается измеренная величина коэффициента усиления (отношение СКЗ выходного сигнала к СКЗ входного сигнала), в линейном или логарифмическом масштабе. Во втором режиме дополнительно включается возможность использования опорного уровня. При этом выводится отношение измеренного в данной точке коэффициента усиления к некоторому фиксированному уровню, либо к уровню, определенному на указанной частоте, либо к уровню, введенному в явном виде.

На вкладке "амплитудные" отображается зависимость среднеквадратического значения амплитуды выходного сигнала от среднеквадратического значения амплитуды входного сигнала (амплитудная характеристика). Если текущая траектория измерений служит для измерения АЧХ и амплитуда входного сигнала поддерживается постоянной во всех измеряемых точках, этот график будет не слишком наглядным, представляя собой вертикальную линию. В этом случае пользователь может запретить программе строить ненужный график. Это же относится и к графикам АЧХ и ФЧХ при измерении амплитудной характеристики (когда измерения проводятся при фиксированной частоте ИС).

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) отображается на графической вкладке "фазовые". На этом графике выводится зависимость величины угла сдвига фаз выходного сигнала относительного входного от частоты входного ИС. Величины углов могут по выбору пользователя отображаться в градусах, радианах, градиентах или в долях полного круга.

Для всех графиков реализована возможность курсорных измерений. Для каждого графика пользователь может установить наиболее удобные настройки с помощью специального диалогового окна. Здесь можно выбрать наиболее подходящие цвета для всех элементов графика, настроить стиль графиков, установить параметры осей (масштаб, шаг сетки, линейная или логарифмическая). Каждый график настраивается независимо.

Сводная таблица результатов. Просмотреть исходные данные для построения графических характеристик в числовом виде можно в таблице на вкладке "сводка" (рисунок А.3). Для каждой точки измерений в эту таблицу построчно заносятся: "N" - номер точки измерений, "Частота ->" - заданная частота ИС, "Амплитуда ->" - заданная пиковая амплитуда ИС, "СКЗ ->" - измеренное среднеквадратическое значение амплитуды входного сигнала, "Частота <-" - измеренное значение частоты выходного сигнала, "Фаза <-" - угол сдвига фазы выходного сигнала относительно входного, "СКЗ <-" - измеренное среднеквадратическое значение амплитуды выходного сигнала.

Все результаты измерений, в том числе и содержимое этой таблицы, могут быть сохранены в текстовом файле в формате "CSV" (рисунок А.3). Этот файл может быть, затем либо вновь открыт самой программой измерительного комплекса, либо использован для дальнейшей обработки данных внешними приложениями, такими, как Microsoft Excel или подобными. Кроме того, все графики программы также можно сохранить в файлы в виде изображений в растровой или в векторной форме. Наконец, содержимое любой вкладки результатов измерений пользователь может снабдить собственным комментарием и вместе с ним отправить на печать.

Рисунок А.3 - Сводная таблица результатов

Список литературы

1. Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А. Теория нелинейных электрических цепей. – М.: Связь, 1974.

2. Андреев В.С., Теория нелинейных электрических цепей. – М.: Связь, 1972.

3. Гоноровский И.С., Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Сов. Радио, 1977.

4. Баскаков С.И., Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2000.

5. Баскаков С.И., Лекции по Теории цепей. – М.: МЭИ, РОСВУЗНАУКА, 1991.

6. Цифровые фильтры в электросвязи и радиотехники. Под ред. Л. М. Гольденберга. - М.: “ Радио и связь “,  1982.

7. Цифровые фильтры и их применение под. Ред. Н. Н. Слепова. – М.: Энергоатомиздат, 1983. 

8. Теория электрической связи. Под ред. Д.Д.Кловского. - М.: “ Радио и связь“,  1999.

9. Скляр Б. Цифровая связь. - М., С-П.: К., 2003.

 

Содержание

Предисловие	3
1 Порядок выполнения лабораторных работ	3
2 Лабораторная установка и  измерительные приборы	5
3 Лабораторная работа № 1	7
4 Лабораторная работа № 2	15
5 Лабораторная работа № 3	22
6 Лабораторная работа № 4	28
7 Лабораторная работа № 5	34
8 Лабораторная работа № 6	42
Приложение А	53
Список литературы	57