26692

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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

Русский

2014-10-17

122.51 KB

6 чел.

Лабораторная работа № 3

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА В НЕЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ

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

Подготовка к выполнению работы

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

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

3 Подготовить бланк отчета.

4 Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.

Аппаратное и программное обеспечение

1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).

2 Графический манипулятор мышь.

3 Программа Electronics Workbench 5.12. 

Порядок выполнения работы

1 Ответить на вопросы программированного допуска.

2 Получить инструктаж по технике безопасности.

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

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

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

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

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

Примечание: Резистор в программе обозначается                .

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

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

Рисунок 3.1 – Схема электрическая функциональная исследуемой нелинейной цепи

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

7.10 Спектральную диаграмму зарисовать в отчет. Сделать выводы.

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

Таблица 3.1 – Исходные данные

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

Сопротивление потенциометра R3,в % от номинального

11

40

81

12

41

82

13

42

83

14

43

84

15

44

85

16

45

86

17

46

87

18

47

88

Вариант

9

10

11

12

13

14

15

16

Сопротивление потенциометра R3, в % от номинального

19

48

89

20

49

90

21

50

91

22

51

92

23

52

93

24

53

94

25

54

95

26

55

96

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

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

T  360º

tи  2

Рисунок 3.3 Временная диаграмма сигнала с отсечкой

10 Зарисовать временные и спектральные диаграммы в отчет.

11 Показать результаты выполнения работы преподавателю.

12 Сделать выводы.

13 Выключить оборудование.

14 Составить отчет по работе.

Краткие теоретические сведения

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

х

0

у

Рисунок 3.4 – Внешняя характеристика нелинейного элемента (НЭ).

Цепь, содержащая хотя бы один НЭ, называется нелинейной.

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

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

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

Определение формы отклика графическим методом (методом проекций):

U0

Uн

0

θ

ωt

u(t)

u

i

Um

2θ

Im

ωt

i

0

θ

Рисунок 3.5 – Определение формы отклика методом проекций.

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

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

.

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

Высота (максимальное значение) импульса тока определяется выражением:

.

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

.

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

,

,

где - коэффициенты Берга;

- функции Берга.

Для ряда значений коэффициенты и функции Берга табулированы.

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


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75289. Кризис в Западной Римской империи в III-V вв. и возникновение протофеодальных отношений 34 KB
  Кризис в Западной Римской империи в IIIV вв. В Западной Римской империи IV V вв. В различных частях Западной империи росли сепаратистские тенденции которые находили проявление как в политических выступлениях в захватах власти узурпаторами так и в появлении местных ересей например донатизма в Северной Африке. Эксплуатируемые массы империи представляли собой конгломерат множества социальных групп разделенных сословными перегородками и несовпадающими интересами.
75291. Падение Западной Римской империи и образование варварских королевств 36.5 KB
  Падение Западной Римской империи и образование варварских королевств. Победа на Каталаунских полях явилась последним крупным успехом Западной Римской империи. После этого началась политическая чехарда: за 21 год на престоле Западной Римской империи сменилось 9 правителей ставленников италийской или галльской знати варварской армии под командованием Рикимера сместившего или убравшего не одного августа а после его смерти в 472 г. Это время дальнейшего нарастания кризиса империи и стремительного сокращения ее границ.
75292. Победа частной собственности на крестьянский надел и причины разорения свободных франков 36.5 KB
  Победа частной собственности на крестьянский надел и причины разорения свободных франков. Усадебная земля согласно данным Салической правды находилась уже в индивидуальной собственности каждого франка. Наоборот луга и леса продолжали ещё находиться и в коллективной собственности и в коллективном пользовании всей крестьянской общины. Сосуществование разных видов собственности продолжалось сравнительно недолго и общинная форма собственности на пахотную землю соответствовавшая более низкому уровню производительных сил уступила место...
75293. Начало переворота в поземельных отношениях у франков: бенефициальная реформа Карла Мартелла 38 KB
  Иногда наряду с аллодом они владели землями как мелкие вотчинники составлявшие промежуточный слой между феодалами и свободными крестьянами. Вопервых она значительно укрепила складывавшийся слой мелких и средних феодалов которые в качестве професси нальных воинов стали основой конного ополчения и всей военной организации; они были предшественниками будущего рыцарства. Широкий слой бенефициариев жил целиком эксплуатацией зависимого крестьянства. Укрепившийся благодаря ей слой средних феодальных землевладельцевбенефициариев составил на...
75294. Завершение переворота в поземельных отношениях и складывание основ феодализма при Каролингах 48 KB
  Поэтому даже теряя аллоды свободные общинники брали у феодалов землю в пользование на условии выполнения определенных повинностей. Существовали прекарии нескольких видов; иногда такое условное держание передавалось человеку у которого было недостаточно или вовсе не было земли precri dt но иногда мелкий собственник сам передавал под давлением нужды и насилий соседних крупных землевладельцев право собственности на свою землю одному из них чаще всего церкви и получал эту же землю обратно в качестве прекария пожизненно или...
75295. Франкское государство и общество при Каролингах. Каролингское Возрождение 37 KB
  Карл и его приближенные видели в новой державе возрождение Западной Римской империи франкского короля манил титул императора. Так на западе возникла новая империя что вызвало конфликт между Карлом и Византией императоры которой считали себя единственными наследниками старой Римской империи. Новые рубежи империи были укреплены пограничными областями марками. и международный престиж империи Каролингов: покровительства Карла домогались короли Шотландии и Астурии вожди племенных ирландских княжеств.
75296. Византийское общество и государство в IV-VI вв. Византия при Юстиниане I 41.5 KB
  Наивысшего расцвета Византийская империя достигла в правление императора Юстиниана I 527 565. Его дядя император Юстин I 518 527 возведенный на престол солдатами сделал Юстиниана своим соправителем. Историограф Юстиниана Прокопий Кесарийский в своих официальных трудах и в Тайной истории создал двойственный образ императора: жестокий тиран и властный честолюбец уживался в нем с мудрым политиком и неутомимым реформатором. Танцовщица и куртизанка Феодора благодаря своей редкой красоте уму и твердой воле покорила Юстиниана стала его...