УДК 621.39(07) ББК 32.88я73 Т337

Рецензент: А.М. Алешечкин, д-р техн. наук, профессор кафедры РТ ИИФиРЭ СФУ

Составитель: В.Г. Патюков, Е.В. Патюков, А.А. Баскова

Т337 Теория электрической связи. Часть 1: учебно-методическое пособие для лабораторных работ [Электронный ресурс] / сост. В.Г. Патюков, Е.В. Патюков, А.А. Баскова. – Электрон. дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – Систем. требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM; Windows 98/XP/7; Adobe Reader V8.0 и выше. – Загл. с экрана.

В учебно-методическом пособии приводятся описания семи лабораторных работ, позволяющие экспериментально исследовать основные положения теории детерминированных и случайных сигналов и их преобразований в типовых нелинейных радиотехнических цепях.

Предназначено для студентов всех форм обучения по направлению 210400.62 Телекоммуникации и специальности 210406.65 Сети связи и системы коммутации.

УДК 621.39(07) ББК 32.88я73

© Сибирский федеральный университет, 2012

Учебное издание

Подготовлено к публикации редакционно-издательским отделом БИК СФУ

Подписано в свет 14.06.2012 г. Заказ 8139. Тиражируется на машиночитаемых носителях.

Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79

Тел/факс (391)206-21-49. E-mail rio@sfu-kras.ru http://rio.sfu-kras.ru

2

Предисловие

Учебный курс «Теория электрической связи» – ТЭС, является одной из основных базовых дисциплин, обеспечивающих подготовку современных специалистов в области телекоммуникаций и сетей связи и систем коммутации определяющей технический прогресс фактически во всех областях науки, техники

ипроизводства. Это обусловлено тем, что с помощью различных радиотехнических систем и устройств решаются такие проблемы, как передача информации, извлечение информации из электромагнитных колебаний, обработка, хранение

иотображение информации, передача команд на управляемые объекты, контроль и обеспечение функционирования различных измерительных и производственных процессов и комплексов.

Для получения представления о наиболее типичных операциях, которые необходимо выполнить при формировании и передаче информации, в данном руководстве к лабораторным работам по курсу «Теория электрической связи» рассматриваются вопросы и возможность практического исследования типовых устройств систем связи, обеспечивающих реализацию требуемых операций для формирования, передачи и обработки информации.

Руководство к лабораторным работам имеет практическую направленность, включает возможность исследования семи работ по основным нелинейным преобразованиям сигналов, основанные на современном лабораторном оборудовании. Почти все проблемы, решаемые при этом, характерны для цепей

иустройств, используемых в самых различных радиоэлектронных системах. Выполнение физических лабораторных работ и проведение виртуальных

исследований по тематике курса ТЭС, способствуют формированию знаний и умений, а также приобретению опыта при:

–освоении теоретического материала курса;

–построении и использовании схем проведения эксперимента;

−определении различных статических и динамических характеристик;

−оценки результатов измерений, моделирования и др.;

При выполнении лабораторных работ используются как различные современные физические приборы, так и программные устройства бельгийской фирмы Velleman Instruments, позволяющие анализировать данные в режимах

осциллографа, анализатора спектра, генератора сигналов и др. в

операционной системе Windows. Предварительное компьютерное моделирование сигналов и анализ работы отдельных устройств целесообразно проводить на основе, например, канадского программного пакета Electronics Workbench (Multisim 8), а также широко использовать известные пакеты MathCad, MATLAB и программу Spectran, разработки кафедры Радиотехники Сибирского Федерального Университета (СФУ).

В методических указаниях учтен и использован опыт других авторов и, в частности, работы Санкт-Петербургского государственного университета теле-

3

коммуникаций. Для успешного освоения материала, приведённого в методических указаниях, используйте литературу [1-5].

Лабораторная работа № 1

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФОРМЫ И СПЕКТРА СИГНАЛОВ БЕЗИНЕРЦИОННЫМ НЕЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ

1.1. Цель работы

Изучение формы и спектра сигналов на выходе резистивной цепи, содержащей нелинейный безинерционный элемент при моно и бигармоническом воздействии.

1.2.Схема работы и измерительная аппаратура

Вданной работе используется универсальный лабораторный стенд со сменным блоком ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ. Принципиальная схема исследуемой цепи (рис. 1) содержит резистивный усилительный каскад на полевом транзисторе. Для формирования этой схемы достаточно переключатель нагрузки (R – LC) на передней панели сменного блока установить в положение "R"; состояние остальных переключателей макета не имеет значения.

КТ 1). Сумматор выполнен на операционном усилителе; его коэффициент передачи по каждому входу равен – 1. Схема сумматора исключает взаимное влияние между входами 1, 2 и 3, что позволяет измерять напряжения каждого источника, непосредственно на входе сумматора, не отключая остальные источники. Выходом макета является гнездо КТ 2 в цепи стока. Напряжение смещения устанавливается потенциометром в правой части стенда (ручкой «-ЕСМ») и контролируется вольтметром, расположенным рядом. Для измерения постоянной составляющей тока стока (iС) там же расположен микроамперметр. Для включения прибора в цепь стока следует нажать кнопку "iС" сменного блока.

4

В работе следует использовать вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и персональный компьютер (ПК с программой «ТЭС»), который в данной работе используется в качестве спектроанализатора, а также приборы с программным обеспечением PC–Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.

1.3.Предварительная подготовка

1.Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе теоретические основы аппроксимации характеристик нелинейных резистивных элементов и теорию спектрального анализа.

2.Выполните расчёт спектра косинусоидальных импульсов с углом отсечки 900 (амплитуда входного сигнала ориентировочно – 0,5В; 1В).

3.Проведите моделирование исследуемой схемы в одной из стандартных программ, например Multisim 8*.

*Работа с этой программой предшествует выполнению лабораторной работы на практических занятиях или при самоподготовке.

1.4.Лабораторное задание

1.Снимите и постройте вольтамперную характеристику нелинейного элемента.

2.Исследуйте преобразование формы и спектра моногармонического сигнала на квадратичном участке вольтамперной характеристики нелинейного элемента.

3.Исследуйте преобразование формы и спектра бигармонического сигнала на квадратичном участке вольтамперной характеристики нелинейного элемента.

4.Выполните исследования по пунктам 2 и 3 для кусочнопараболического участка характеристики.

1.5.Методические указания

1. Снимите вольтамперную (сток-затворную) характеристику полево-

го транзистора iС=f(ЕСМ). Измерения проводите путём последовательной установки ряда напряжений смещения (см. табл. 1.1), измеряя для каждого из них значения тока стока iС. При этих измерениях нажать кнопку " iС " (после измерений отключить) и снять отсчёт со встроенного миллиамперметра.

5

При этом учтите, что полное отклонение стрелки этого прибора около 4,0 мА, и не зависит от положения переключателя пределов измерений. Во избежание ошибок при снятии вольтамперной характеристики следует отключить все соединительные проводники от входов сумматора и нагрузку. После заполнения таблицы постройте график iС(ЕСМ), подобный рис. 2.

ратичном участке ВАХ.

2.1.1. Положение рабочей точки выберите на середине квадратичного участка ВАХ, т. е. ЕСМ1 = uн/2, где uн – начальное напряжение отсечки (рис. 3). Установить полученное значение ЕСМ1 потенциометром ЕСМ и занести его в таблицу 1.2.

2.1.2. Амплитуда входного сигнала Um1 должна быть такой, чтобы сигнал занимал весь квадратичный участок ВАХ (от нуля до отсечки), т. е. Um1=|ЕСМ1|

(см. рис. 3).

Ввиду того, что часто измерительные приборы имеют градуировку в действующих (U), а не амплитудных (Um) значениях, следует установить на входе макета (гнёзда Вх 1, Вх 2 или Вх 3) такое напряжение от источника "1 кГц" (от диапазонного генератора установки или приборов PC–Lab2000), чтобы подключённый ко входу вольтметр показывал U1= Um1 /√2.

зуйте программу, отмеченную в других работах, а при использовании приборов PC–Lab2000 – смотрите инструкцию или меню Help). На приводимых граммах укажите частоты в Гц и амплитуды спектральных составляющих в делениях (для PC–Lab2000 вызовите в меню маркеры). Эти же данные внесите в таблицу 1.2.

2.2. Преобразование на кусочно-параболическом участке ВАХ.

2.2.1.Установите ЕСМ2 = uн.

2.2.2.Установите амплитуду входного сигнала Um2=|uн| (рис. 4). Обратите внимание на используемое здесь обозначение: Um2 означает второе значение амплитуды входного сигнала (не путать со второй гармоникой).

2.2.3.Повторите пункт 2.1.3 для ЕСМ2 и Um2, заполните таблицу 1.3, подобную табл. 1.2.

3. Бигармоническое воздействие имеет вид:

uЗИ = ЕСМ + U1mcos2πf1t+ U2mcos2πf2t.

В качестве второго гармонического сигнала с частотой f2=1.2 кГц используйте диапазонный генератор базового блока. На один из входов сумматора подайте прежний сигнал f1=1 кГц, на любой другой – f2=1.2 кГц (используйте приборы PC–Lab2000).

3.1. Преобразование на квадратичном участке ВАХ.

iC

ЕCМ2

Um2

Рис. 4

3.1.1.Установите смещение ЕСМ=ЕСМ1=uн/2 (рабочая точка на середине квадратичного участка ВАХ).

3.1.2.Установите одинаковые амплитуды сигналов от разных источников

на обоих входах сумматора U1m=U2m= uн/4 , при этом суммарный сигнал ("биения") не выйдет за пределы квадратичного участка.

7

3.1.3.Повторите п. 2.1.3 для новых параметров сигналов, заполнив соответствующую таблицу.

3.1.4.Повторите п. 2.1.3, предварительно уменьшив вдвое амплитуду одного из сигналов.

3.2. Преобразование на кусочно-параболическом участке ВАХ.

3.2.1.Установите ЕСМ=ЕСМ2=uн.

3.2.2.Установите амплитуды сигналов U1m=U2m= uн/2 .

3.2.3.Повторите п. 2.1.3 для новых параметров сигналов.

1.6. Отчёт

Отчёт должен содержать:

1.Принципиальную схему исследования и результаты домашней подго-

товки.

2.Сток-затворную характеристику исследованной нелинейной цепи.

3.Аппроксимацию ВАХ для работы на квадратичном (параболическом), кусочно-линейном и кусочно-параболическом участках.

4.Теоретический расчёт спектра для данных, использованных в экспери-

менте.

5.Осциллограммы и спектры исследованных процессов.

1.7.Контрольные вопросы

1.Каковы характерные особенности спектров тока, протекающего через нелинейный безинерционный элемент, при моно- и бигармоническом воздействиях?

2.Что называется порядком комбинационного колебания? Приведите примеры.

3.Какова связь между наивысшим порядком комбинационного колебания и степенью полинома, аппроксимирующего характеристику нелинейного элемента?

4.Перечислите наиболее часто применяемые методы спектрального анализа колебаний на выходе безинерционных нелинейных преобразователей. Укажите, при каких видах аппроксимации целесообразно применять каждый из них.

5.Что называется углом отсечки, как определить его по осциллограмме сигнала и как выразить аналитически?

6.Характеристика нелинейного элемента аппроксимирована ломаной ли-

нией.

Входное воздействие представляет собой сигнал вида u=ЕСМ+Umcosωt. Пользуясь системой трех координатных плоскостей, покажите, как следует вы-

брать ЕСМ и Um, чтобы:

а) ток по форме повторял форму входного сигнала;

8

б) ток принял форму косинусоидальных импульсов с углом отсечки

900.

7.Поясните, как работает преобразователь, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.

8.Как практически изменить положение рабочей точки на сток-затворной характеристике полевого транзистора?

9.Перечислите все составляющие спектра тока, если на вход нелинейного элемента с параболической (квадратичной) ВАХ подать гармонические сигналы с частотами 5 и 6 кГц.

Лабораторная работа №2

УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ

2.1. Цель работы

Изучение процесса умножения частоты. Получение оптимального режима. Схема работы и измерительная аппаратура подробно рассмотрены в лабора-

торной работе Усиление сигналов [5].

2.2. Упрощенная схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется сменный блок ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ. Схема исследуемой цепи приведена на рис. 2.1 и представляет собой усилительный каскад на полевом транзисторе. В работе следует использовать вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и персональный компьютер (ПК), который в данной работе используется в качестве спектроанализатора (программа «ТЭС»), а также приборы с программным обеспечением PC–Lab2000, работающие совместно с ПК, для успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и ме-

ню Help.

КТ 2

Вх 1

Вх 2

КТ 1

Рисунок 2.1

9

2.3.Предварительная подготовка

1.Изучите по конспекту лекций и рекомендованной литературе материал по усилению сигналов и умножению частоты.

2.Аппроксимируйте сток–затворную характеристику, соответствующую стенду, кусочно-линейной и кусочно-параболической функциями.

3.Рассчитайте амплитудную характеристику умножителя частоты разными способами:

3.1.При постоянном значении максимального значения импульса тока (iмакс=const) использовать метод угла отсечки, основанный на коэффициентах

αn(θ) для кусочно-линейной аппроксимации. В качестве руководства к расчёту используйте п. 3.1 методических указаний к данной работе и рис. 2.2. В таблице 2.1 вместо UВЫХ добавьте еще 3 строки: соsθ, θ и αn(θ).

iс imax=сonst

u

Um1

Um2

ωt

Рисунок 2.2

Рис. 2.2

3.2. При постоянном значении амплитуды входного сигнала (Umвх=const) использовать метод угла отсечки, основанный на коэффициентах max γn(θ) – для кусочно-параболической аппроксимации. Значение Umвх=1В, а Есм изменять

впределах – (1÷6) В. Значение n (номер гармоники) выбирать от 2 до 4.

4.Приготовьте заготовку отчёта и внесите в неё результаты выполненных расчётов.

2.4.Лабораторное задание

1.Исследуйте работу умножителей частоты при постоянной величине амплитуды импульса тока стока и при постоянной амплитуде входного сигнала.

2.Детально исследуйте режимы удвоения и утроения частоты. Обратите внимание на особенности временных диаграмм результата умножения.

10