7369

Исследование цепи второго порядка. Поиск входной и предаточной характеристики

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Задание к курсовой работе В курсовой работе необходимо исследовать цепь второго порядка. Для цепи необходимо найти ее входную и передаточную характеристику, определить переходную и импульсную характеристику, написать уравнения цепи через переменные ...

Русский

2013-01-22

619.5 KB

36 чел.

Задание к курсовой работе

В курсовой работе необходимо исследовать цепь второго порядка. Для цепи необходимо найти ее входную и передаточную характеристику, определить переходную и импульсную характеристику, написать уравнения цепи через переменные состояния. Также нужно определить спектр входного воздействия и частотную характеристику цепи. После этого определить спектр реакции цепи на:

а) при воздействии сигнала в виде одиночного воздействия;

б) при периодическом воздействии того же сигнала;

ЗАДАНИЕ: Резистивная нагрузка Rн соединена с источником U1 через линейный RC- четырехполюсник, как показано на рис.1. Ниже приведены параметры элементов и сигнала.

Рис. 1

R1=0.5 Мом;

R2=1 Мом;

C1=2 мкФ;

C2=1 мкФ;

Rн=1 Мом;

=2 с;

Амплитуда равна 10 В;

= 2;


1.Определение входных и передаточных функций цепи, их нулей и полюсов.

Сначала рассчитаем входные и передаточные функции в общем виде. Для этого представим сопротивления активных и реактивных элементов в операторной форме. Т. е.

где  -- обобщенная комплексная частота.

Так как схема имеет только один источник, расчет произведем самым простым методом. Входное сопротивление – это сопротивление цепи относительно клемм источника U1: 

(Все расчеты здесь и дальше сделаны сделаны  в программе MATLAB или в MathCad)

Входная проводимость:

После подстановки значений элементов получаем:

;

;

Передаточную функцию рассчитаем используя метод контурных токов(МКТ).

Контуры и направления обхода выберем, как показано на рис. 2

рис. 2

Система уравнений по  МКТ в матричной форме:

Отсюда I3 равен

:

Так как I3=Iн, то

Передаточная функция по напряжению:

Передаточная функция по току

Подставляя значения элементов, получаем:

2. Определение параметров четырехполюсника и их связь с параметрами цепи.

Для определения параметров цепи как четырехполюсника изобразим ее как показано на рис.3, и определим параметры z сопротивления холостого хода.

рис. 3

z-параметры описывают ЧП как зависимость напряжений от токов, как через 2 уравнения:

Для определения коэффициентов z подключим два источника тока между 1-1’ и

2-2’, потом уберем сначала первый, потом второй, определяя напряжения по МУН.

  1.  для  и  подключим источник тока  к 1-1’, а 2-2’ разомкнем как на рис.4.

рис. 4

Система уравнений по МУН

Решение

 

 - входное сопротивление со стороны

1-1’ при разомкнутом входе 2-2’;

- передаточное сопротивление прямой передачи;

2) для  и  подключим источник тока к 2-2’ 1-1’ разомкнем.(рис.5)

рис. 5

Система уравнений по МУН

Решение системы

- передаточное сопротивление обратной передачи;

- Входное сопротивление со стороны входа 2, при разомкнутом входе 1.

Таким образом матрица z- параметров

Коэффициенты  и здесь взяты с + така как при расчете положительным считалось направление противоположное тому, которое берут обычно.

Определим параметры передачи, то есть а-параметры, через уже найденные z по формуле

По а-параметрам определим найденные ранее сопротивление и передаточные функции цепи, они совпадают с полученными ранее.

Цепь можно рассматривать как каскадное соединение четырех простейших четырехполюсников: поперечной ветви R2, продольной R1, поперечной С2 и продольной С1. Чтобы получить матрицу а параметров для нашего 4-полюсника, нужно перемножить матрицы этих простейших четырехполюсников. Они соответственно равны:

  3. Переходная и импульсная характеристики цепи

Лаплас образ переходной характеристики имеет вид . Для получения переходной характеристики во временной области нужно сделать обратное преобразование Лапласа.

График  приведен на рис.6

Лаплас- образ импульсной характеристики- это .

График  приведен на рис.7.


рис. 6

рис. 7

4. Система уравнений по методу пространства состояний

Переменными состояния для данной схемы будут напряжения на конденсаторах С1 и С2. Для составления уравнений запишем схему замещения в которой конденсаторы заменены источниками напряжения, как показано на рис.

рис. 8

Из этой схемы выразим токи  и  через напряжения источников. По законам Кирхгофа для первого контура

Для второго контура

тогда дифференцируя и деля уравнения на емкость соответствующих конденсаторов, получим

Подставив значения элементов, получим

В матричной форме эта система записывается как , где

    

Уравнение для выходной реакции, то есть для напряжения на Rн U2 имеет вид

.

Здесь Y=U2,  будет только одно уравнение,

Отсюда

   

Найдем передаточную характеристику по формуле .

Выражение полученное по этой формуле совпадает с полученным ранее.

5. Расчет реакции цепи при одиночных входных сигналах.

Изображение по Лапласу идеального импульса с t=2  c и амплитудой А=10 В(рис.10)

Изображение реакции на выходе

рис. 9

Во временной области зависимость от времени получим, беря обратное преобразование Лапласа от .

График зависимости приведен на рис.11

рис. 10

6. Определение амплитудночастотных и фазочастотных характеристик цепи

Частотную и фазовую характеристики цепи можно получить, заменяя в   на и беря модуль и аргумент получившейся функции.

Графики АЧХ и ФЧХ изображены на рис.11 и рис.12

рис. 11

рис. 12

 

7. Определение спектров входного и выходного сигналов в виде одиночного импульса

Спектры входного и выходного импульсов найдем используя связь преобразований Лапласа и Фурье. То есть так как и тот и другой импульс имеют Фурье-образ, мы получим его заменяя в  s на . Получим

Подставляя значения:

Амплитудный спектр получим беря модуль

график амплитудного спектра изображен на рис.13

рис. 13

Фазовый спектр, то есть . График приведен на

рис. 15.

рис. 14

Спектр выходного сигнала можно получить с учетом частотных характеристик цепи, то есть

,,- частотная характеристика цепи, АЧХ, ФЧХ.

Тогда

График амплитудного спектра выходного одиночного импульса приведен на рис.16

рис. 15

Фазовый спектр равен

График фазового спектра приведен на рис. 17

рис. 16

8. Расчет вынужденного режима при несинусоидальном периодическом воздействии

По условию задачи на вход цепи поступают периодические прямоугольные импульсы с длительностью импульса и периодом  амплитуда равна 10 В. Это показано на рис.18. Спектр такого сигнала дискретный и бесконечный. Он состоит из отдельных частот, кратных основной частоте импульса . Гармоники показаны на рис.17 линиями, расположенными на частотах кратных  . Ограничим спектр одиночного сигнала частотами амплитуда которых не меньше чем 0,1 от максимума АЧХ, то есть уровнем 2 В, и будем брать гармоники для разложения в ряд Фурье только от туда. Получиться четыре гармоники, как показано на рис. 17.Ширина спектра сигнала в этом случае получиться равной

Комплексные амплитуда частот ряда Фурье дискретного спектра связаны с со спектром одиночного сигнала формулой:

где   номера гармоник в ряде.

Сам ряд выглядит так

Постоянная составляющая равна(при  k=0):

При четных значениях k амплитуда обращается ноль.

рис. 17

рис. 18

Ряд Фурье:

где .

Действующее значение напряжения равно

Выходной сигнал также будет последовательностью импульсов, той же частоты, что и входной. Вычислим его по формуле где . для

  

Ряд Фурье для выходного сигнала

где

Действующее значение напряжения выходного сигнала

Приблизительный график выходного сигнала изображен на рис.19

рис. 19

9. Анализ цепи на ЭВМ

Анализ цепи на ЭВМ проведем с помощью программы Simulink. Для этого составим в ней схемы как показано в Приложении, и сопоставим полученные результаты с полученными ранее, в ходе расчета. Рассчитаем в Simulink переходную, импульсную характеристики, реакцию на одиночный импульс и на последовательность импульсов. В Приложении указаны схемы по которым рассчитываются эти характеристики и полученные результаты( с блока  Scope). Полученные результаты похожи на результаты, полученные в ходе расчета.

Вывод

Сигнал проходит с  искажениями. Постоянную составляющую цепь не пропускает.


Список литературы

1. Бычков Ю А., Золотницкий В. М., Чернышев Э. П. Основы теории электрических цепей.-СПб.:Лань, 2004.

2. Дьяконов В. П. MATLAB 6.- СПб.: Питер, 2001.- 592с.

3. Новгородцев А. Б. Расчет электрических цепей в MATLAB.: Учебный курс.-СПб.:Питер,- 2004.

4. Новгородцев А. Б. 30 лекций по теории электрических цепей. –СПб.:Политехника, 1995,-520 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35926. Понятие о вине. Признаки. Классификации вин. Вина столовые и специальные. Их отличительные особенности. Классификация вин МОВВ 61.97 KB
  Вина столовые и специальные. Благодаря содержанию аминокислот полифенолов витаминов минеральных солей и других полезных веществ вина относятся к ценным гигиеническим напиткам обладающим бактерицидными свойствами а при умеренном потреблении и разносторонним положительным воздействием на организм человека. выдержки перед розливом в бутылки в резервуарах; марочные более 15 лет; коллекционные марочные вина дополнительно выдержанные в бутылках не менее 3 лет. Натуральные и специальные вина могут быть также ароматизированными...
35927. Клеточная теория 61.82 KB
  Основные положения клеточной теории == Современная клеточная теория включает следующие основные положения: № 1 Клетка единица строения жизнедеятельности роста и развития живых организмов вне клетки жизни нет; № 2 Клетка единая система состоящая из множества закономерно связанных друг с другом элементов представляющих собой определенное целостное образование; № 3 Ядро − главная составная часть клетки эукариот № 4 Новые клетки образуются только в результате деления исходных клеток; № 5 Клетки многоклеточных организмов образуют ткани...
35929. Виноград как сырье для винодельческой промышленности. Требования, предъявляемые к винограду, при производстве различных типов вин. Факторы, определяющие качество винограда. Сбор урожая 59.95 KB
  Факторы определяющие качество винограда. Характеристика винограда Сырьём для винодельческой промышленности является виноград. Ягоды винограда содержат высокосахаристый сок из которого получают вино. Характеристика и механический состав винограда.
35930. Особливості обслуговування у податкових органах великих платників податків 57.5 KB
  24 Податкового кодексу великий платник податків це юридична особа у якої обсяг доходу від усіх видів діяльності за останні чотири послідовні податкові звітні квартали перевищує п'ятсот мільйонів гривень або загальна сума сплачених до Державного бюджету України податків за платежами що контролюються органами державної податкової служби за такий самий період перевищує дванадцять мільйонів гривень. У разі включення платника податків до Реєстру великих платників податків далі Реєстр ВПП та отримання повідомлення центрального органу...
35931. Биосфера. Роль живого вещества в жизни планеты. Географические закономерности распределения биологического разнообразия и биомассы 57 KB
  Роль живого вещества в жизни планеты. В структуре биосферы Вернадский выделял семь видов вещества: живое; биогенное возникшее из живого или подвергшееся переработке; косное абиотическое образованное вне жизни; биокосное возникшее на стыке живого и неживого; к биокосному по Вернадскому относится почва; вещество в стадии радиоактивного распада; рассеянные атомы; вещество космического происхождения. 2 Биогенез преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы образование высокомолекулярных органических...
35932. Понятие, функции, предмет и объект массовых коммуникаций 56.95 KB
  История развития коммуникации: Изобретение письма; Изготовление печатного станка; Внедрение электронных СМИ; Термин появился в начале 20 в. Он определил основные вопросы коммуникации: кто передал Что передал По какому каналу Кому С каким результатом Формула Лассуэлла стала как собственно моделью отражающей структуру коммуникационного процесса так и моделью исследования этого процесса его структуры и отдельных элементов. В первую очередь это важно для массовой коммуникации особенно в кризисные моменты общественной жизни...
35933. Размножение 56.5 KB
  БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ бесполое размножение происходит без образования гамет в нем участвует лишь один организм. Перед делением клетки происходит репликация ДНК а у эукариот деление и ядра. В большинстве случаев происходит бинарное деление при котором образуются две идентичные клетки. Множественное деление при котором следом за рядом повторных делений клеточного ядра происходит деление самой клетки на огромное множество дочерних клеток можно наблюдать у споровиков это группа простейших и к ним относится например возбудитель малярии...