48681

Исследование характеристик линейных электрических цепей

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Задание к курсовой работе Нормирование параметров и переменных цепи Определение передаточной функции цепи Hs Расчет частотных характеристик цепи Hj Определение переходной h1t и импульсной ht характеристик Вычисление реакции цепи при воздействии одиночного импульса на входе Определение спектральных характеристик одиночного импульса воздействия Вычисление спектра реакции при одиночном импульсе на входе Определение спектра периодического входного сигнала Приближенный расчет реакции при...

Русский

2013-12-13

2.58 MB

19 чел.

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет

Кафедра ТОЭ

Курсовая работа

по

Теоретическим основам электротехники

Тема: Исследование характеристик линейных электрических цепей

Преподаватель: Соколов В.Н.

Выполнил:  Рунова О.А.

Группа:   5322

Факультет:  КТИ

2007 г.


СОДЕРЖАНИЕ

  1.  Задание к курсовой работе 3
  2.  Нормирование параметров и переменных цепи 4
  3.  Определение передаточной функции цепи H(s) 4
  4.  Расчет частотных характеристик цепи H(j) 6
  5.  Определение переходной h1(t) и импульсной h(t) характеристик 8
  6.  Вычисление реакции цепи при воздействии одиночного импульса на входе 10
  7.  Определение спектральных характеристик одиночного импульса воздействия 11
  8.  Вычисление спектра реакции при одиночном импульсе на входе 12
  9.  Определение спектра периодического входного сигнала 14
  10.  Приближенный расчет реакции при периодическом воздействии 15

Список литературы 18


Целью курсовой работы
является практическое освоение различных методов анализа во временной области характеристик цепей и искажений проходящих через цепи сигналов. В процессе работы требуется определить основные характеристики цепи и исследовать реакцию при действии на входе одиночного импульса.

                                    ЗАДАНИЕ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

На вход электрической цепи с момента t=0 подается импульс напряжения u1. Реакцией цепи является напряжение u2=uR2. График импульса представлен на рисунке, параметры схемы и данные импульса сведены в таблицу.

                                                L

                       R1

               u1                         C1        C2                         R2       u2=uвых

      

                       

    

                           

         Um

         0        tи /4    3tи /4                          t

                               tи=T

                         

Таблица

R2

0,5 кОм

L

0,5 мГн

C1

1000 пкФ

C2

1000 пкФ

Um

100 В

tИ

4,71 мкс


  1.  НОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ПЕРЕМЕННЫХ ЦЕПИ

R*=R/Rб, L*=Lб/Rб, С*бRб, tИ *= tИ /tб

Rб=R2, б=106 с1, tб=10–6 с

получим следующие значения нормированных параметров:

R2*=1;

C1*=0,5;

L*=1;

tИ *=4,71.

  1.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ H(s)

Функция передачи цепи по напряжению H(s)=U2(s)/U1(s), где s – переменная Лапласа. Используем операторную схему замещения цепи при н.н.у., показанную на рис.3.1, где ZR1=ZR2=1;  ZC1=2/s;  ZC2=1,1/s;  ZL1=0,9s. Для нахождения H(s) применяем МПВ.

Пусть UR2=1, тогда IR2=1,

IC2=UR2/ZC2=0,9, IR1=1+0,9s,

UR1=ZR1IR1=1+0,9s, ZL1+ZL2=1,8s/(2+0,9s);

UL1C1=IR1(ZL1+ZC1)=(1+0,9s)[1,8s/(2+0,9s)]=

=(1,8s+1,62s2)/(2+0,9s2);

U1=UL1C1+UR1+UR2=

=(s3+4,2s2+4,3s+5)/(2,42+1,1s2).

Таким образом,

Проконтролируем функцию H(s).

  1.  Знаменатель ПФ – ХП и все коэффициенты – положительны;
  2.  H(0)=0,5; H()=0, что соответствует результатам, полученным по схемам замещения цепи при =0 (см. рис.3.2,а) и при  (см. рис.3.2,б).
  3.  Нули H(s) равны s01,02 j2,21,5. Полюсы H(s) равны s1= – 3,33;
    s
    2,3= – 0,445  j1,14. Изобразим нули и полюсы на плоскости комплексной частоты s (рис.3.3).

                         j

                              s01

                   s2

     

     s1                                      

                   s3

                              s02

Практическая деятельность переходных процессов:

tпер=3, где =max{1, 2}=1/0,445=2,25,

tпер=6,75.

На частоте s=  j2,2 наблюдается резонанс токов (L1C1ХХ).

0=1/L1*C1*1,5. |s|0.


  1.  РАСЧЕТ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК H(j)

Обобщенная частотная, т.е. амплитуднофазовая, характеристика (АФХ)

Амплитудночастотная характеристика (АЧХ)

Фазочастотная характеристика цепи (ФЧХ)

Графики АЧХ и ФЧХ, а также АФХ для H(j), приведены на рис.4.1,а,б соответственно.

Полосу пропускания определяем  на уровне 0,707|H(j)|max= =0,707|H(j0)|=0,7070,5=0,34; частота среза ср1,06, полоса пропускания ∆[0, 1,06] соответствует фильтру нижних частот.

Время запаздывания сигнала tзап=|∆F(∆)|/∆=1,44/1,06=1,38.

ВЫВОД: при попадании спектра входного сигнала в полосу пропускания амплитуда сигнала на выходе изменится в A(0)=0,5 раз, т.е. уменьшится в 2 раза.



  1.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕХОДНОЙ h1(t) И ИМПУЛЬСНОЙ h(t) ХАРАКТЕРИСТИК

Переходная характеристика  h1(t)H1(s)=H(s)/s.

A0=0,5;

A1= – 0,453

A2= – 0,0146 + j0,189

A3=A2*;

|A2|=0,19;

arctg( – 0,189/0,0146)=1,64 рад.

Тогда переходная характеристика

h1(t)=[0,5  0,453e–3,33 t + 0,38e–0,445 t cos(1,14 + 1,64)]1(t)

Проконтролируем начальное h1(0+) и конечное h1() значения ПХ: h1(0+)=0, h1()=0,5, а также использовав теоремы о предельных значениях – начальном и конечном:

h1(0+)=lim|s sH1(s)=0;

h1()=lim|s0 sH1(s)=0,5. Значения совпадают.

Импульсная характеристика  h(t)H(s).

A1=1,5;

A2= – 0,21 – j0,101;

A3=A2*;

|A2|=0,233;

Arg(A2)=arctg( –0,101/ –0,21)=3,6 рад (206)

Тогда

h(t)=[1,5e–3,33 t + 0,46e–0,445 t cos(1,14 t + 3,6)]1(t)

Графики характеристик цепи h1(t) и h(t) показаны на рис.5.1.

 


  1.  ВЫЧИСЛЕНИЕ РЕАКЦИИ ЦЕПИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОДИНОЧНОГО ИМПУЛЬСА НА ВХОДЕ

График импульса представлен на рис.1.2.

0=2/2T=3,14/12,56=0,25;

u1(t)=Umcos(0t)1(t) + Umcos[0( tи)]1( tи)

Ums[1 + e–stи]/(s2 + 02)=100s[1 + e–s12,56]/( s2 + 0,252)=U1(s).

Используя теорему разложения, получаем коэффициенты:

A1= – 45,039; A2= – 0,929 + j19,575; A3=A2*; |A2|=19,597;

arctg(19,575/ – 0,929)=1,618 рад;

A4=23,604 – j5,405; A5=A4*; |A4|=24,215;

arctg( – 5,405/23,604)=0,225 рад.

uвых(t)=[ – 45,039e–3,33 t + 39,194e–0,445 t cos(1,14 t + 1,618) + 

+ 48,43cos(0,25 t – 0,225)]1(t) + { – 45,039e–3,33 (t–12,56) +

+ 39,194e–0,445 (t–12,56) cos[1,14 (t – 12,56) + 1,618] + 

+ 48,43cos[0,25 ( 12,56) – 0,225]}1( 12,56).

Графики реакции uвых(t) и измененного в A(0)=0,5 раз воздействия u1(t) приведены на рис.6.1.

ВЫВОД: из графиков видно, что амплитуда реакции примерно в 2 раза меньше амплитуды воздействия, что подтверждает оценки; реальное время запаздывания (0,8) меньше оценочного (см. пункт 4).


  1.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДИНОЧНОГО ИМПУЛЬСА ВОЗДЕЙСТВИЯ

Uвх(s)=U1(s)=Ums[1 + e–stи]/(s2 + 0,252);

Uвх(j)=2Umcos(6,28)ej(/2 – 6,28)/[0,252 + (j)2];

Амплитудный спектр входного одиночного  сигнала

Для построения амплитудного спектра найдем его узлы – значения частоты k, при которых спектр равен нулю:

                0, =0

Aвх()=

                0, k=0,25 + 0,5k, k=0,1,2,3,…

При k=0 частота 0=0,25; имеем Aвх(0)=50(0/0). Используя “правило Лопиталя” [4] для раскрытия неопределенностей типа 0/0 найдем Aвх(0):

Фазовый спектр входного одиночного сигнала

Характерные значения частотных характеристик входного сигнала приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

, рад

Aвх()

Fвх(),

0

0

90

0,25

628,319

0

0,34

686,181

–32,4

0,5

533,333

–90

0,75

0

–180

0,97

216,944

–79,2

1

213,333

–90

1,25

0

–180

1,48

138,007

–82,8

1,5

137,143

–90

1,75

0

–180

Графики спектров Aвх() и Fвх() показаны на рис.7.1.

Рис.7.1

ВЫВОД: ширина спектра по амплитудному “десятипроцентному” критерию 0,1A(0)1,5; вся энергия находится в ПП, следовательно на выходе сигнал пройдет с небольшими искажениями.

  1.  ВЫЧИСЛЕНИЕ СПЕКТРА РЕАКЦИИ ПРИ ОДИНОЧНОМ ИМПУЛЬСЕ НА ВХОДЕ

Uвых(j)=Uвх(j)H(j).

Aвых()=Aвх()A();

Fвых()=Fвх() + F().

Характерные значения частотных характеристик выходного сигнала приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1

, рад

Aвх()

Fвх(),

A()

F(),

Aвых()

Fвых(),

0

0

90

0,484

0

0

90

0,25

628,319

0

0,484

–12,9

304,106

–12,9

0,34

686,181

–32,4

0,484

–17,9

332,112

–50,3

0,5

533,333

–90

0,481

–27,8

256,533

–117,8

0,75

0

–1800

0,462

–47,6

0

–227,6 –47,6

0,97

216,944

–79,2

0,394

–72,7

85,476

–151,9

1

213,333

–90

0,378

–76,8

80,64

–166,8

1,25

0

–1800

0,181

–113,8

0

293,8 113,8

1,48

138,007

–82,8

0,002

–142,1

0,276

224,9

1,5

137,143

–90

0,01

35,9

1,371

–54,1

1,75

0

–1800

0,116

16,6

0

–163,416,6

2

101,587

–90

0,167

3,8

16,965

–86,2

Графики спектров Aвых() и Fвых() показаны на рис.8.1.


  1.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ВХОДНОГО СИГНАЛА

Для получения спектральных характеристик входного периодического сигнала используем связь спектральных характеристик одиночного и периодического сигналов:

Akвх=2/T|Uвх(j)|=2/TAвх()|=k1=k2/T – амплитудный спектр входного периодического сигнала (T – период входного сигнала);

Fkвх=Fвх()|=k1=k2/T – фазовый спектр входного периодического сигнала.

1=2/T=0,5.

Akвх=400/12,56{k1cos(12,56k1)/[0,252 – (k1)2]};

Fkвх=/2 + 2k1 + arg{k1cos(12,56k1)/[0,252 – (k1)2]}, k=0,1,2,3.

k

k1=k0,5

Akвх

Fkвх,

0

0

0

90

1

0,5

84,926

–90

2

1

33,97

–90

3

1,5

21,838

–90

Запишем отрезок ряда Фурье, ограничившись тремя первыми (наиболее значительными по амплитуде) гармониками [3]:

п(t)=A0/2 + k=1,2,3 Ak cos(k1t + Fk).

uвх(t)=k=1,2,3 Akвхsin(k1t),

uвх(t)=84,926sin(0,5t) + 33,97sint + 21,838sin(1,5t).

На рис.9.2 представлены графики входного периодического сигнала – исходного и после аппроксимации его отрезком ряда Фурье, и отдельные составляющие.

  1.  ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ РЕАКЦИИ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Akвых=Akвх A(k1);

Fkвых=Fkвх + F(k1);

1=2/T=0,5 (T – период входного сигнала).

Для вычисления дискретных значений Akвых и Fkвых будем использовать данные, полученные в пп. 8,9.

Таблица 10.1

k

k1=k0,5

Akвых

Fkвых,

0

0

0

90

1

0,5

40,85

–117,8

2

1

12,84

–166,8

3

1,5

0,218

–54,1

На основании таблицы 10.1 строем амплитудный и фазовый дискретные спектры (рис.10.1).

Ряд Фурье: uвых(t)=k=1,2,3 Akвыхcos(k1 Fkвых),

uвых(t)=40,85cos(0,5t –2,05) + 12,84cos(t – 2,91) – 0,218cos(1,5t – 0,94).

На рис.10.2 показан график ряд Фурье реакции uвых(t) и график воздействия (измененный в A(0)=0,5 раз) u1(t).

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ: АЧХ показывает, что цепь является фильтром нижних частот. Из полученных графиков АЧХ и ФЧХ следует, что при попадании спектра входного сигнала в полосу пропускания, цепь будет интегрирующей. Это подтверждается графиками воздействия на одиночный импульс, из которых видно, что график реакции идет более гладко и начинается с нуля. Цепь сглаживает и периодическое воздействие.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Матханов П. Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи. М.: Высш. шк., 1990.
  2.  Курсовое проектирование по теории электрических цепей: Учебное пособие для самостоятельной работы студентов / Под ред. Ю. А. Бычкова, Э. П. Чернышева; ГЭТУ, СПб., 1996.
  3.  Ю. А. Бычков, В. М. Золотницкий, Э. П. Чернышев. Основы теории электрических цепей: Учебник для вузов. СПб.: Издательство «Лань», 2002.
  4.  Фихтенгольц Г. М. Основы математического анализа. – СПб.: Издательство «Лань», 2001.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45433. Модель обучения на примере автоматов с линейной тактикой. Автомат с переменной структурой 124.5 KB
  Автомат с переменной структурой. Рациональность поведения автомата в детерминированной стохастической стационарной и нестационарной среде. Автомат с линейной тактикой рис.
45434. Применение метода оценочной функции при реализации интеллектуальных функций. Уровни интеллектуальности поведения 61.5 KB
  Черепаха представляет собой трехколесную тележку на которой размещены аккумуляторы система реле и электронная ламповая схема. Схема отрегулирована таким образом что при низком потенциале анода лампы Л1 запирается лампа Л2 и реле Р2 устанавливается так что исключается одновременное нахождение под током реле P1 и Р2. При умеренном освещении фотоэлемента лампа Л2 приоткрывается однако проводимый ею ток недостаточен для срабатывания реле P1 хотя уменьшение напряжения на аноде лампы и приводит к отпусканию реле Р2. Замыкание...
45435. Модели языка. Синтез и анализ языковых фрагментов. Проблема представления знаний 351 KB
  Проблема представления знаний Язык Человек лингвизирует свой мир живет в мире пересотворяемом с помощью его собственного языка. Границы языка границы мира. Если два языка подобны некой системе то они подобно друг другу.
45436. Понятие ядра и процесса, состояние процесса, подпроцессы. Межпроцессное взаимодействие 175.5 KB
  Межпроцессное взаимодействие Резидентная в RM часть OS UNIX называется ядром. Все работы вне ядра оформлены в виде процессов выполнения системных и прикладных программ. Под процессом понимается единица вычислительной работы потребляющая ресурсы предоставляемые ядром для обработки системных и прикладных программ которые оформлены как командные или выполняемые файлы на внешнем устройстве.
45437. Понятия приоритета и очереди процессов. Диспетчеризация и синхронизация процессов 128.5 KB
  Диспетчеризация и синхронизация процессов. Алгоритмы планирования процессов Планирование процессов включает в себя решение следующих задач: определение момента времени для смены выполняемого процесса; выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов; переключение контекстов старого и нового процессов. Средства аппаратной поддержки управления памятью и многозадачной среды в микропроцессорах Intel 80386 80486 и Pentium .
45438. Программирование на Shell. Скрипты 227 KB
  Shell интерпретатор командного языка В этом разделе описаны команды и символы имеющие специальное значение которые позволяют: находить с помощью шаблона и манипулировать группами файлов; запускать команду в фоновом режиме или в определенное время; выполнять последовательно группу команд; перенаправлять стандартный ввод и вывод; завершать работающие программы. Таблица 20 Метасимволы Символ Функция [ ] Эти метасимволы позволяют указывать сокращенные имена файлов при поиске по шаблону Означает что команда будет выполняться...
45439. Управление оперативной памятью (распределение и защита) в многозадачной ОС. Механизм реализации виртуальной памяти 211 KB
  Механизм реализации виртуальной памяти. От выбранных механизмов распределения памяти между выполняющимися процессорами в значительной степени зависит эффективность использования ресурсов системы ее производительность а также возможности которыми могут пользоваться программисты при создании своих программ. С другой стороны поскольку любой процесс имеет потребности в операциях вводавывода и процессор достаточно часто переключается с одной задачи на другую желательно в оперативной памяти расположить достаточное количество активных задач с...
45440. Планирование и диспетчеризация процессов и задач 611 KB
  Долгосрочный планировщик решает какой из процессов находящихся во входной очереди в случае освобождения ресурсов памяти должен быть переведен в очередь процессов готовых к выполнению. Они определяются не только переключениями контекстов задач но и при переключении на потоки другого приложения перемещениями страниц виртуальной памяти а также необходимостью обновления данных в кэше коды и данные одной задачи находящиеся в кэше не нужны другой задаче и будут заменены что приведет к дополнительным задержкам. От выбранных механизмов...
45441. Расчет системы управления автомобилем на базе технологии CAN 277 KB
  Узлы системы Батарея BTTERY Контроллер CONT Контроллер двигателя MOTOR Дисплей панели инструментов DISP Управление водителя DRIVE Тормоза BRKES Управление коробкой передач TRNS Сеть оперирует 32 сообщениями которые делятся на различные группы: Спорадические сигналы.0 BTTERY CONT 2 Ток батареи 8 0.0 BTTERY CONT 3 Температура батареи 8 0.0 BTTERY CONT 4 Параметры батареи 10 1.