- •Домашнее задание (курсовая работа) по дисциплинам «информационно-измерительная техника и электроника» и «измерительная техника-датчики»
- •1. Пояснение тематики заданий
- •Использование аппроксимации реальной характеристики передачи усилителя по ю. Б. Кобзареву для 11 равноотстоящих точек напряжений смещения
- •Типовое задание «Определение параметров нелинейности усилителя аппаратуры вч связи по лэп на основе аппроксимации его коэффициента усиления и выбор оптимального режима»
Домашнее задание (курсовая работа) по дисциплинам «информационно-измерительная техника и электроника» и «измерительная техника-датчики»
1. Пояснение тематики заданий
В учебных рабочих программах специальностей 140211 «Электроснабжение» и 210106 «Промышленная электроника в энергетике» предусмотрены самостоятельные работы в форме домашних заданий (ДЗ) и курсовых работ (КР). С учетом специфики специализаций в практикуме приводится материал для таких заданий, способствующий расширению знаний студентов по использованию высоковольтных линий передач не только для их целевого назначения – передачи энергии, но и для высокочастотной связи по ЛЭП. В настоящее время высокочастотные (ВЧ) каналы по ЛЭП являются основным средством связи в энергосистемах. Их доля в общем объеме каналов связи энергосистем составляет не менее 43 %, причем в ближайшем будущем их ведущая роль сохранится [18]. Формирование и совершенствование Единой энергетической системы страны, осуществляемой путем объединения энергосистем Сибири и Средней Азии с Европейской энергетической системой и сооружения магистральных ЛЭП напряжением 500, 750 и 1150 кВ, требует внедрения новейших систем управления и регулирования потоками информации, циркулирующими в сети. В связи с этим предъявляются повышенные требования к средствам связи в энергетике. При этом важнейшая роль отводится совершенствованию Единой сети связи энергетики (ЕССЭ), в которой ведущее место занимает ВЧ связь по высоковольтным линиям (ВЛ). В [12, 18, 22] отмечается, что обеспечение надежной работы каналов ВЧ связи по ВЛ, связанное с разработкой и усовершенствованием аппаратуры систем передачи информации по линиям сверхвысокого напряжения, а также систем измерения и контроля параметров ВЧ тракта, является важной задачей, решение которой способствует повышению надежности работы энергосистемы в целом.
В этой связи в данной работе приводится методика определения парамет-ров нелинейности усилительных каскадов аппаратуры ВЧ связи по ЛЭП, имеющих место вследствие опасных в усилителе нелинейных явлений – интермодуляции и блокирования, которые возникают из-за нелинейности передаточной характеристики усилителя и нарушают достоверность принимаемой информации. Интермодуляция – это нелинейный процесс возникновения в полосе пропускания усилителя различных комбинационных помех второго fс ± fп, третьего 2fс ± fп и других порядков. Их называют продуктами нелинейного преобразования (ПНП), так как они являются комбинациями из двух, трех и т.д. частот сигналов, один из которых – полезный сигнал с амплитудой Uс и частотой fс, а другой – помеха Uп с частотой fп. При этом наиболее опасны ПНП третьего порядка, так как по частоте они всегда оказываются вблизи полезного сигнала, т.е. в полосе пропускания усилителя, и, следовательно, нарушают достоверность полезной информации. Интермодуляцию вызывают сложные помеховые условия ВЧ каналов связи по ЛЭП, в которых в широком спектре амплитуд и частот присутствуют сосредоточенные помехи от соседних ВЧ каналов ВЛ, радиостанций и каналов проводных воздушных линий связи, от экранирования линейных проводов и разрядов по поверхности изоляторов, а также от коммутационных операций в сети и атмосферных разрядов.
Опасность другого вида нелинейности – блокирование малого полезного сигнала помехой большого уровня – состоит в том, что под действием мощной помехи, которая может находиться даже далеко за полосой пропускания усилителя, происходит изменение усиления, которое иногда превышает допустимые пределы (по нормативам не более ±20 %).
Эти нелинейные явления имеют место во всех усилительных и преобра-зовательных каскадах любой радиоэлектронной аппаратуры, и вопросы, связанные с борьбой с помехами и информационной надежностью профес-сиональной и другой аппаратуры, являются одной из важных составных частей так называемой проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных, энергетических и других информационных средств.
В практикуме представлены методики трех заданий, из которых первые два задания предусматривают оценку нелинейных свойств (интермодуляцию и блокирование) в усилительном каскаде, а третье – в преобразователе частоты аппаратуры ВЧ канала связи по ЛЭП.
2. Курсовая работа (Домашнее задание)
Определение параметров нелинейности и выбор оптимального режима усилительного каскада аппаратуры ВЧ связи по ЛЭП
Методика оценки нелинейных свойств ВЧ усилителя на основе определения параметров нелинейности и выбор его оптимального режима
Нелинейные свойства усилителей, зависящие от таких опасных в них нелинейных явлений, как интермодуляция и блокирование, в технической литературе определяются и анализируются различным образом. Классический анализ опирается в основном на методику, основанную на разложении в ряд Тейлора функции, выражающей зависимость выходного тока от напряжения на управляющем электроде усилительного прибора при сопротивлении нагрузки Rн = 0. При этом оказываются неучтенными нелинейность выходных сопротивлений, а также упомянутое сопротивление нагрузки. Последнее обстоятельство приводит к недопустимо большим погрешностям в количественной оценке продуктов нелинейного преобразования (ПНП), а следовательно, делает указанный метод практически непригодным для анализа нелинейных явлений, в особенности, при больших реальных уровнях помех на входе усилителя.
В [11, 13] показано, что при таких условиях наиболее целесообразно использовать методику анализа, основанную на разложении мгновенного коэффициента передачи (МКП) k(t) в ряд Тейлора, коэффициенты которого представляются в виде рядов Фурье по частоте помехи. Затем, выделив фильтром спектральные составляющие выходного сигнала и воспользовавшись аппроксимацией реальной характеристики передачи усилительного прибора, находят постоянную составляющую и амплитуды соответствующих гармоник спектра, а следовательно, коэффициенты и параметры нелинейности.
Так, под воздействием аддитивно действующих на входе усилителя на ПТ мгновенных значений гармонических напряжений полезного сигнала uс и помехи uп при выбранном постоянном напряжении смещения между затвором и истоком Uсм = Uзи мгновенный коэффициент передачи усилителя запишется следующим образом:
, (1)
где ; ; – текущая фаза соответствующего напряжения; Uс и Uп – амплитуды напряжений; Uс < Uп ; Uс << Uзи.
В результате разложения функции и ее первой и второй производных в ряд Фурье по частоте помехи и последующих тригонометрических преобразований получим выражения для упомянутых амплитуд напряжений соответствующих гармоник спектра, коэффициентов и параметров нелинейности:
, (2)
, (3)
, (4)
, (5)
, (6)
где – амплитуда полезного выходного сигнала;
(7)
– постоянная составляющая коэффициента усиления, определяемая как нулевая гармоника ряда Фурье;
– амплитуда комбинационной составляющей третьего порядка, изменяющаяся с частотой или ; – коэффициент интермодуляционных помех 3-го порядка;
– (8)
– вторая гармоника ряда Фурье, ответственная за образование комбинационных помех 3-го порядка;
– (9)
– полином, аппроксимирующий экспериментальную функцию, выражающую коэффициент усиления в рабочей точке усилителя .
; ; – (10)
– вторые производные по напряжению от , , соответственно;
, , и т.д. – коэффициенты усиления, их крутизна, кривизна и т.д. в рабочей точке, которые находятся как коэффициенты аппроксимирующего полинома;
– обобщенный параметр нелинейности третьего порядка, который в малосигнальном режиме (Uс << Uп) не зависит от входного сигнала, а определяется значением коэффициента усиления и его производными в рабочей точке
. (11)
Следовательно, параметр нелинейности , зависящий от второй производной малосигнального коэффициента усиления в любой рабочей точке , является определяющим в оценке нелинейных свойств усилителя по интермодуляции 3-го порядка. Чем более стремится к нулю (т.е. ), тем меньше коэффициент интермодуляции 3-го порядка , иначе тем более линейным является усилительный прибор (транзистор).
Коэффициент в формуле (6), определяющий степень блокирования малого сигнала помехой большого уровня, как следует из формулы (7), в соответствующей рабочей точке зависит только от уровня помехи.