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 f_с ± f_п, третьего 2f_с ± f_п 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 U_с и частотой f_с, а другой – помеха U_п с частотой f_п. 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 R_н = 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 u_с и помехи u_п при выбранном постоянном напряжении смещения между затвором и истоком U_см = U_зи мгновенный коэффициент передачи усилителя запишется следующим образом:

, (1)

где ; ; – текущая фаза соответствующего напряжения; U_с и U_п – амплитуды напряжений; U_с < U_п ; U_с << U_зи.

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 (U_с << U_п) 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.