Работа №4. Исследование частотных характеристик линейной системы.

 

Цель работы заключается в том, чтобы ознакомиться с методикой определения амплитудно-фазовых характеристик линейной системы.

Одной из характеристик линейной системы является ее комплексный коэффициент передачи:

,

где - амплитудно-частотная характеристика, - фазочастотная характеристика.

АЧХ и ФЧХ устанавливают зависимость отношения амплитуд выходного и входного гармонических сигналов, а так же фазового сдвига между ними от частоты входного сигнала.

В то же время характеризует и отношение комплексных спектров реакций системы и воздействия, если последнее имеет непериодический характер. Иначе говоря, с помощью можно исследовать как установившиеся, так и переходные колебания в линейной системе. Обращением по Фурье является импульсная переходная (весовая) функция системы.

.

т.е. ее реакция на воздействие в виде дельта-функции (практически на воздействие достаточно короткого импульса). Знание позволяет исследовать воздействие сигнала любого типа, в том числе и случайного, на линейную систему. При оптимизации (синтезе) радиотехнической системы представляет собой искомую характеристику этой системы. Частотные характеристики этой системы могут быть легко найдены, если имеется дифференциальное уравнение системы и, следовательно, известна передаточная функция.

Известно, что . Возможность определения АЧХ и ФЧХ экспериментальным путем является существенным достоинством частотного метода, являющегося одним из наиболее эффективных и распространенных на практике.

Системы, между АЧХ и ФЧХ которых имеется однозначная взаимосвязь, носят название минимально-фазовых. К их числу относится большинство реальных систем, в которых отсутствуют перекрестные связи.

Содержание работы.

Ознакомиться с теоретическими основами определения частотных характеристик линейной системы.

Ознакомиться с аппаратурой для снятия частотных характеристик и макетом лабораторной работы.

Снять частотные характеристики системы.

 

Необходимые инструменты и приборы.

Генератор сигналов DG1000

Макет лабораторной работы.

Фазометр типа Ф2-I.

Краткое описание макета.

Макет лабораторной работы содержит исследуемое устройство, измерительную схему и блок питания.

Устройство, характеристики которого определяются, представляют собой двухканальную систему, подключенную к источнику сигнала (звуковому генератору) и работающую на общую нагрузку. В каждом канале используется однокаскадный усилитель на электронной лампе. Нагрузкой лампы в одном канале является активное сопротивление, а нагрузкой лампы в другом канале – колебательный контур.

Параметры каналов сделаны переменными. Комбинация параметров каналов образует 5 различных схем, подлежащих исследованию.

Измерительное устройство (вольтметр) используется при снятии амплитудно-частотной характеристики и может определять величину входного и выходного напряжения системы.

 

Методика измерений.

Определение частотных характеристик исследуемой системы производятся экспериментально. Вольтметр макета позволяет замерять напряжение на входе и на выходе макета. Коэффициент усиления (его модуль) определяется соотношением

.

Фазочастотная характеристика может быть получена экспериментально и расчетным путем для минимально - фазовых систем (по известной амплитудно-частотной характеристике).

При экспериментальном определении фазочастотной характеристики производится измерение сдвига фаз между выходным и входным сигналом устройства. Используемый в работе фазометр типа Ф2-I позволяет измерить фазовый угол, не превышающий по модулю . Макет лабораторной работы представляет собой систему, где выходное напряжение сдвинуто относительно входного на угол .

 

Порядок выполнения работы.

I. Ознакомиться с методикой определения частотных характеристик линейных систем.

2. Ознакомиться с порядком настройки приборов.

3. Подключить выход генератора ко входу макета, а фазометр к выходу макета и выходу генератора согласно схеме на рисунке 7.

4. Включить макет и приборы в сеть и после прогрева настроить прибор Ф2-I.

5. По указанию преподавателя выбрать для исследования одну из схем, для чего поставить переключатель в соответствующее положение.

6. Установить выходное напряжение генератора 8В.

7. Снять частотные характеристики системы, для чего производить измерения входного и выходного напряжения, пользуясь вольтметром на макете, и фазу прибором Ф2-I. Измерения производить в диапазоне частот 0,5 + 20 кГц через 1кГц.

 

Примечания.

I. В диапазоне частот со значительным изменением выходного сигнала производить измерения с шагом 0,5 кГц, обязательно производя замер в точках, где выходное напряжение имеет экстремальные значения.

2. При величинах напряжений менее 0,5 В на одном из своих выходов фазометр дает неправильные показания. Поэтому измерение фазы в таких точках не производить.

Результаты измерения занести в таблицу 1.

 

Рисунок 7

 

Таблица 1.

		I		…
,В
,В
K

 

По полученным данным определить коэффициент усиления и построить частотные характеристики системы.

 

 

Контрольные вопросы

1. Каков стандартный испытательный сигнал при частотном методе исследования линейных систем?

2. Каковы стандартные характеристики линейных систем при частотном методе исследования?

3. Что такое линейные искажения сигналов в линейных системах?

4. Методы измерения АЧХ и ФЧХ?

 

Работа №5. Преобразование гармонического сигнала нелинейными элементами.

Цель работы заключается в том, чтобы исследовать преобразование гармонических сигналов нелинейным элементом, изменение формы сигнала и спектральных характеристик, а также изучить методику определения коэффициента нелинейных искажений.

Большинство радиотехнических преобразований осуществляется с помощью нелинейных элементов и устройств. Их характерной особенностью является способность трансформировать спектр входного сигнала, т.е. обогащать его, насыщая дополнительными гармоническими составляющими, которые отсутствуют на входе: постоянными составляющими, а также гармониками кратных и комбинационных частот. Используя фильтры, настроенные на те или иные частоты, выделяют интересующие в конкретном случае составляющие: кратных частот в умножителях, комбинационных при гетеродинном преобразовании и амплитудной модуляции. Трансформация является следствием того, что в случае нелинейных систем не справедлив закон суперпозиций.

В некоторых случаях нелинейные преобразования нежелательны и относятся к числу паразитных, вызывая искажения формы выходного сигнала по сравнению с входным. Такой случай может иметь место, например, в усилителях. Нелинейные искажения сигнала характеризуют количественно с помощью коэффициента нелинейных искажений, клирфактора:

 

Здесь - амплитуда основной гармоники выходного тока (ее частота совпадает с частотой входного сигнала); - амплитуды высших гармоник, частоты которых кратны основной. Эти искажения возникают при относительно большом уровне входного сигнала, когда рабочая точка входной характеристики смещается на нелинейный участок.

Содержание работы

Изучение теоретических основ преобразования сигналов нелинейными элементами.

Ознакомление с аппаратурой и макетом лабораторной работы.

Ознакомление с порядком проведения работы.

Снятие спектрограммы исследуемых сигналов.

Определение коэффициента нелинейных искажений по спектрограммам.

Необходимые инструменты и приборы

Макет лабораторной работы.

Генератор сигналов DG1000.

Осциллограф RIGOL_DS1000CA-D-E

 

 

Краткое описание макета

Макет лабораторной работы состоит из однокаскадного усилителя напряжения на лампе 6Ж5Б, блока питания и измерительного устройства (рис.7). Нагрузкой выходного каскада является активное сопротивление, величину которого можно менять. Смещение на входной каскад подается от отдельного источника смещения. Величину смещения можно изменять, смещая тем самым рабочую точку.

Измерительное устройство представляет собой стрелочный прибор, который может измерять напряжение смещения и ток в выходной цепи.

На вход лампы от генератора звуковой частоты подается синусоидальный сигнал.

Сопротивления анодной нагрузки имеют величину:

R1=150 кОм, R2=75 кОм, R3=18 кОм.

 

Методика измерений

При определении коэффициента нелинейных искажений необходимо иметь величины гармонических составляющих сигнала. Их можно найти из спектрограммы сигнала, замерив по сетке на экране осциллографа (спектр сигнала можно наблюдать, нажав кнопку math)

Зная величины гармонических составляющих, рассчитывают коэффициент нелинейных искажений

.

 

 

Порядок проведения работы

1. Ознакомиться с правилами эксплуатации приборов.

2. Подключить звуковой генератор к входу макета. К выходу макета подсоединить осциллограф.

3. Включить приборы и макет в сеть.

4. Исследовать влияние положения рабочей точки входного каскада на форму выходного сигнала и его спектральные характеристики.

Для этого включить сопротивление нагрузки R1. Установить выходной сигнал генератора равным 30 мВ (в настройках генератора задать 60мВ) с частотой 2.5-3.5 кГц. Изменяя величину напряжения смещения, выбрать наиболее линейный участок на входной характеристике. Определить его можно по форме выходного сигнала на экране осциллографа (отсутствие искажений) и по отсутствию высших гармоник на спектрограмме сигнала.

Далее увеличить напряжение входного сигнала до 300 мВ (в настройках генератора задается 600 мВ). Изменяя напряжение смещения от 0 до 5 В, проследить влияние положения рабочей точки на искажение сигнала и его спектральные характеристики. Установить связь между видом выходного сигнала (характером искажений), числом, номером и относительной величиной его гармонических составляющих.

Увеличив выходной сигнал до 1.5 В (на генераторе 3 В), выбрать смещение таким, чтобы происходило двухстороннее ограничение сигнала и просмотреть спектрограмму.

Выводы и спектрограмму с изображениями исследованных сигналов занести в отчет.

6. Определить коэффициент нелинейных искажений каскада. Включить одно из сопротивлений R1, R2 или R3 (по указанию преподавателя). Выходное напряжение генератора установить равным 0.4 В (в настройках генератора ставится 0.8В) Напряжение смещения выбрать таким, чтобы выходной сигнал был слегка искажен. Записать величину .

По сетке на экране осциллографа замерить величины гармонических составляющих сигнала, установив ручками величину сигнала первой гармоники около 80 мм. Записать результаты измерений в таблицу 2. Рассчитать коэффициент нелинейных искажений каскада.

Таблица 2

 

Режим Ra= кОм, = В; =0.4 В.	Коэффициент нелинейных искажений
№ гармоники
Величина составляющей, мм

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое нелинейные искажения в безынерционных системах преобразования сигналов?

2. Что такое коэффициент нелинейных искажений?

3. Как можно измерить коэффициент нелинейных искажений?

4. Как можно уменьшить коэффициент нелинейных искажений?