ПОСОБИЕ ПО ЛАБАМ СФУ

1.2.С помощью приборов PC_Lab2000 снять АЧХ фильтров. Для этого использовать возможности PC_Lab2000 в режиме «Редактор АЧХ» (Bode Plotter), подсоединив выход генератора функций (PCG10) PC_Lab2000 к входу первого фильтра и настроить его для снятия АЧХ. Вход CH1осциллографа подключить к выходу фильтра. Включить режим анализа цепей (Circuit Analyzer) и настроив вертикальную шкалу, выбрав максимальную предполагаемую частоту, выбрав стартовую частоту и другие требуемые параметры (при необходимости использовать Help) включить Start. Графики полученных характеристик можно предварительно оформить (используя правую кнопку мыши ввести требуемую надпись, поместив её в нужном месте графика) и сохранить для дальнейшей обработки (использовать Print Scr.).

1.3.Подключив ГШ к входу “А” ПК, работающего в режиме “ГИСТОРАММА”, с помощью ручки регулировки входного сигнала ПК, расположенной рядом с гнездом “А”, установить на мониторе требуемую интенсивность сигнала (избегать перегрузки звуковой платы). Зафиксировать общую для всех цепей реализацию сигнала на входе, график плотности

вероятности и его параметры – m и σ.

1.4. Подключив выход ГШ к входу первой цепи, а ПК – к её выходу, зафиксировать выходную реализацию, плотность вероятности выходного

сигнала ωвых(x) и его параметры mвых и σвых. 1.5. Повторить п. 1.4 для других цепей.

1. Исследование эффекта нормализации законов распределения в

линейных цепях

2.1. Случайный сигнал с распределением, отличным от нормального,

может быть получен путём пропускания нормального случайного процесса через нелинейную цепь (блоки 5 или 6), рис. 2.

Рис. 2

2.2.Собрать цепь согласно схеме на рис. 2.

2.3.Подключив осциллограф к выходу цепи 5, ручкой регулятора

выхода ГШ добиться появления на осциллограмме заметного двухстороннего ограничения сигнала. Проходя через узкополосную линейную цепь 3, такой

сигнал “нормализуется”, то есть его закон распределения приближается к гауссовскому.

2.4. Подключая ПК на вход и выход цепи 3, получить реализации сигналов и гистограммы на входе и выходе этой цепи.

В отчёте по п. 2 охарактеризовать изменения в законе распределения сигнала при прохождении линейной узкополосной цепи. Сравнить ширину спектра на входе линейной узкополосной цепи и выходе, при снятии АЧХ (п. 1.2) определить полосу пропускания по уровню -3дБ.

Отчёт

Отчёт должен содержать:

1.Функциональные схемы исследований и результаты домашней подготовки.

2.Результаты экспериментов с указанием условий их проведения.

3.Выводы по результатам исследований.

Контрольные вопросы

1.Что такое плотность вероятности? Поясните смысл и свойства графика плотности вероятности.

2.Охарактеризуйте функцию распределения и плотность вероятности – какова их связь?

3.Охарактеризуйте нормальный случайный процесс и отметьте его

свойства.

4.К каким случайным процессам относится “правило трёх сигма”?

5.Меняется ли форма графика ω(х) при прохождении любого случайного процесса через линейную инерционную цепь?

6.Как получить график ω(x) на выходе линейной цепи?

7.Как рассчитать дисперсию и математическое ожидание на выходе линейной цепи?

8.Что происходит с плотностью вероятности случайного сигнала, проходящего через узкополосную линейную цепь?

9.Как рассчитать дисперсию процесса на выходе линейной цепи?

10.Как рассчитать математическое ожидание процесса на выходе линейной цепи?

Лабораторная работа № 5

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФОРМЫ И СПЕКТРА СИГНАЛОВ БЕЗИНЕРЦИОННЫМ НЕЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ

Цель работы

Изучение формы и спектра сигналов на выходе резистивной цепи,

содержащей нелинейный безинерционный элемент при моно и бигармоническом воздействии.

Схема работы и измерительная аппаратура

В данной 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 (колебательный контур и связанные с ним цепи в данной работе не используются).

Е

R

			iС
			КТ
	Вх 1		КТ
	Вх 2	å
	Вх 3		uзи
		ЕСМ
Источниками	входных		Рис. 1 сигналов служат внутренние

генераторы, гнезда и регуляторы выходного напряжения которых расположены в левой части стенда (в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ). Там же находится встроенный диапазонный звуковой генератор. Входные сигналы, подаваемые на любые из трех входов макета (гнезда 1¸3), а также напряжение смещения ЕСМ, через сумматор (å) подаются на затвор полевого транзистора (гнездо 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.

В работе следует использовать вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и персональный компьютер (ПК), 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.

Домашнее задание

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

2.Выполнить расчет спектра косинусоидальных импульсов с углом отсечки 900.

3.Проведите моделирование исследуемой схемы в одной из стандартных программ, например Electronics Workbench (EWB512)*.

*Работа с этой программой может предшествовать выполнению лабораторной работы на практических занятиях в компьютерном классе.

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 кусочно- параболического участка характеристики.

Методические указания

1. Снятие вольтамперной (сток-затворной) характеристики полевого транзистора iС=f(ЕСМ) производится путем последовательной установки ряда напряжений смещения (см. табл. 1), измеряя для каждого из них значения тока стока iС. При этих измерениях необходимо нажать кнопку " iС " (после измерений отключить) и снять отсчет со встроенного миллиамперметра.

Таблица 1

ЕСМ	В	0	-0,5	-1	-1,5	¸	Uн
iС	мА					¸	0

При этом следует учесть, 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 отключать все соединительные проводники от входов сумматора и нагрузку. После заполнения таблицы построить график iС(ЕСМ), подобный рис. 2.

2. Моногармоническое воздействие uЗИ = ЕСМ + Umcos2πf1t.

На построенной вольтамперной характеристике (ВАХ) определить границы квадратичного участка (uн<ЕСМ <0).

2.1. Исследовать преобразование сигнала на квадратичном участке

ВАХ.

2.1.1. Положение рабочей точки выбирается 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 2.

		Спектр тока стока			Таблица 2
ЕСМ1=...	В;	f1 =1кГц;	Um1=...В;	U1=Um1 /Ö2 =...В
Частота	0	f1	2 f1	3 f1		...
Амплитуда						...

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).

iC

uн	uЗИ
	0

Рис. 2

Ввиду того, что часто измерительные приборы имеют градуировку в действующих (U), а не амплитудных (Um) значениях, следует установить на входе макета (гнезда Вх 1, Вх 2 или Вх 3) такое напряжение от источника

"1 кГц" (от диапазонного генератора установки или приборов PC_Lab2000),

чтобы подключенный ко входу вольтметр показывал

U1= Um1 /Ö2.

2.1.3. Временные диаграммы и спектры при моногармоническом сигнале наблюдаются на входе (гнездо КТ 1) и выходе (гнездо КТ 2) преобразователя. Они зарисовываются друг под другом с сохранением соответствия, как по оси времени, так и по оси частот. Для анализа спектра

на ПК соответствующее гнездо стенда соединить специальным проводом со входом "А" ПК, расположенным внизу и по центру базового блока. (Для работы на ПК в режиме спектроанализатора использовать программу, отмеченную в других работах, а при использовании приборов PC_Lab2000 – смотреть инструкцию или меню Help). На приводимых спектрограммах

указывать частоты в Гц и амплитуды спектральных составляющих в делениях (для PC_Lab2000 вызвать в меню маркеры). Эти же данные внести

втаблицу 2.

2.2.Преобразование на кусочно-параболическом участке ВАХ.

2.2.1.Установить ЕСМ2 = uн.

2.2.2.Установить 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).

iC

uн	ЕCМ1 0 uЗИ

Um1

Рис. 3

2.2.3. Повторить пункт 2.1.3 для ЕСМ2 и Um2, заполнив таблицу 3, подобную табл. 2.

3.Бигармоническое воздействие uЗИ = ЕСМ + U1mcos2pf1t+ U2mcos2pf2t.

Вкачестве второго гармонического сигнала с частотой f2=1.2 кГц используется диапазонный генератор базового блока. На один из входов

сумматора подать прежний сигнал f1=1 кГц, на любой другой – f2=1.2 кГц (использовать приборы PC_Lab2000).

3.1. Преобразование на квадратичном участке ВАХ.

iC

uн

0 uЗИ

ЕCМ2

Um2

Рис. 4

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

3.1.2.Установить одинаковые амплитуды сигналов от разных

источников на обоих входах сумматора U1m=U2m=½uн/4½, при этом суммарный сигнал ("биения") не выйдет за пределы квадратичного участка.

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

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

3.2. Преобразование на кусочно-параболическом участке ВАХ.

3.2.1.Установить ЕСМ=ЕСМ2=uн.

3.2.2.Установить амплитуды сигналов U1m=U2m=½uн/2½.

3.2.3.Повторить п. 2.1.3 для новых параметров сигналов.

Отчет

Отчет должен содержать:

1.Принципиальную схему исследования и результаты домашней подготовки.

2.Сток-затворную характеристику исследованной нелинейной цепи.

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

4.Теоретический расчет спектра для данных, использованных в эксперименте.

5.Осциллограммы и спектры исследованных процессов.

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

линией.

Входное воздействие представляет собой сигнал вида u=ЕСМ+Umcosωt. Пользуясь системой трех координатных плоскостей, покажите, как следует выбрать ЕСМ и Um, чтобы:

а) ток по форме повторял форму входного сигнала; 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.

10.То же для случая аппроксимации ВАХ степенным полиномом третьей степени.

11.Как изменится спектральный состав тока, если амплитуду входного напряжения уменьшить в 10 раз?

Лабораторная работа № 6

УСИЛЕНИЕ СИГНАЛОВ

Цель работы

Исследование процессов усиления сигналов в линейном и нелинейном режимах.

Схема работы и измерительная аппаратура

Для работы используется сменный блок ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ. Схема исследуемой цепи приведена на рис. 1 и представляет собой усилительный каскад на полевом транзисторе с сумматором на операционном усилителе в цепи затвора.

КТ 2

Вх

Вх

КТ 1

Рис. 1

Выбор нагрузки в цепи стока (резистор R либо колебательный LC контур) осуществляется кнопочными переключателями. Изменение резонансных свойств контура достигается с помощью кнопки "RШ", которая подключает шунтирующий резистор (RШ=10 кОм) параллельно LC контуру, уменьшая его добротность.

В работе используется сток-затворная характеристика полевого

транзистора и соответствующие аппроксимирующие функции для расчета спектра.

Источниками входных сигналов служат внутренние генераторы, гнезда

и регуляторы выходного напряжения которых расположены в левой части базового блока (ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ). Там же находится встроенный диапазонный генератор. Входные сигналы, подаваемые на любые из трех входов макета (гнезда 1¸3), а также напряжение смещения ЕСМ, через сумматор (å) подаются на затвор полевого транзистора (гнездо 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, отключив другие.

Вработе следует использовать вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и персональный компьютер (ПК), который в данной работе используется в качестве спектроанализатора, а также приборы

спрограммным обеспечением PC_Lab2000, работающие совместно с ПК, для

успешного использования которых целесообразно обратиться к инструкции и меню Help.

Вкачестве измерительных приборов – встроенный вольтметр переменного напряжения, двухлучевой осциллограф и ПК. Кроме того, диодный детектор макета (на рис. 1 не показан), и стрелочный микроамперметр стенда образует индикатор резонанса, позволяющий настраивать контур в резонанс без применения внешних приборов.

При наблюдении процессов на входе нелинейного элемента приборы должны подключаться к затвору (гнездо КТ 1), на выходе к стоку (гнездо КТ 2).

Домашнее задание

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

2.Аппроксимируйте сток–затворную характеристику полевого транзистора, соответствующую стенду, кусочно-линейной и кусочно- параболической функциями. Выберите на них напряжения смещения, соответствующие:

а) середине линейного участка;

б) углу отсечки θ = 900.

3.Составьте программу для расчета коэффициентов разложения и приведите графики.

4.Проведите моделирование исследуемой схемы в одной из стандартных программ, например Electronics Workbench (EWB512)*.

*Работа с этой программой должна предшествовать выполнению лабораторной работы на практических занятиях в компьютерном классе.

Лабораторное задание