Міністерство оБРАЗОВАНИЯ И науки УкраИнЫ

Запорожский национальный технический университет

МетодичЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам по дисциплинам:
"Сигналы и процессы в электронике"

для студентов направления подготовки

6.170101 "Безопасность информационных и коммуникационных систем"

и

"Сигналы и процессы в телекоммуникационных системах"

для студентов направления подготовки

6.170102 "Системы технической защиты информации"

всех форм обучения

с использованием программного комплекса Electronics Workbench

2010


Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам: "Сигналы и процессы в электронике" для студентов направления подготовки 6.170101 "Безопасность информационных и коммуникационных систем" и "Сигналы и процессы в телекоммуникационных системах" для студентов направления подготовки 6.170102 "Системы технической защиты информации" всех форм обучения с использованием программного комплекса Electronics Workbench / Сост. С.И.Лизунов, - Запорожье, ЗНТУ, 2010. - 30 с.

Составитель: С.И.Лизунов, к.т.н., доц.
Рецензент: Л.М.Карпуков, д.т.н, проф.
Ответственный за выпуск: С.И.Лизунов, к.т.н., доц.

Утверждено

на заседании кафедры

защиты информации
Протокол № 1

от 07 сентября 2010 года

СОДЕРЖАНИЕ

1. Лабораторная работа №1.

Прохождение сигнала через линейные цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Лабораторная работа №2.

Прохождение сигнала через нелинейные цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. Лабораторная работа №3.

Амплитудно-модулированные колебания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4. Лабораторная работа №4.

Детектирование амплитудно-модулированных колебаний. . . . . . . . . . 16
5. Лабораторная работа №5.

Частотно-модулированные колебания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6. Лабораторная работа №6.

Умножение и преобразование частоты сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Прохождение сигнала через линейные цепи
Цель работы: изучить и проанализировать прохождение сигналов через линейные цепи.
Общие положения
Прохождение сигнала через линейную цепь является широко распространённым преобразованием сигнала. Этот процесс часто сопровождается изменением формы сигнала, что эквивалентно потерям информации, содержащейся в нём. Такие изменения связаны с ограниченностью полосы пропускания реальных цепей. В реальных устройствах всегда есть специально установленные или паразитные сопротивления и ёмкости (схема № 1.1), а также разделительные и фильтрующие конденсаторы (схема № 1.2).

---

Работа линейных цепей определяется двумя видами характеристик – временными и частотными. Между ними существует однозначная зависимость. Так, длительность фронтов импульса на выходе цепи соответствует малым временам, а значит – способности цепи пропускать высокие частоты. И наоборот, величина спада вершины импульса характеризует параметры цепи в области больших времён и определяет полосу пропускания цепи на низких частотах.

Искажения сигнала, происходящие в линейных цепях, называют линейными или частотными. Их особенность в том, что на выходе цепи не появляются дополнительные составляющие в спектре сигнала.

Линейные искажения возникают в двух случаях:

- когда отдельные гармонические составляющие входного сигнала передаются через цепь неодинаково (изменяется их амплитудное соотношение);

- когда фазовые сдвиги, которые приобретают гармонические составляющие сигнала, пройдя через цепь, изменяют свой взаимный сдвиг во времени.

Чтобы цепь в полосе рабочих частот не вносила линейных искажений, её амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) должна быть прямоугольной, а фазочастотная характеристика (ФЧХ) – линейной.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему 1.1, моделирующую паразитные ёмкости и сопротивления в электронных цепях.


Схема 1.1.
2. Установить параметры элементов (N – номер по списку в журнале):

2.1. Генератор меандра (Clok) Е:

- амплитуда сигнала U_m = 4N, В;

- частота f = 50N, Гц.

2.2. R = 1 кОм.

2.3. С = 1 / N мкФ.

3. Рассчитать постоянную времени цепи τ = RС.

4. Измерить:

- длительность импульса по уровню 0,5U_m ;

- длительность фронта и спада по уровню от 0,1 до 0,9 от U_m .

5. Уменьшить величину сопротивления R в два раза и рассчитать новое значение τ.

6. Повторить п.4 для нового значения R.

7. Сравнить и проанализировать полученные результаты.

8. Заменить генератор Е на источник переменного напряжения (AC voltage source) с параметрами N В и 1 кГц.

9. С помощью пунктов меню “Analysis” → “AC freguency” снять амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики цепи для обоих значений сопротивления R в диапазоне частот от N Гц до 2N кГц.

10. Определить полосы пропускания цепи в обоих случаях по уровню -3 дБ (0,707) от U_m.

11. Сравнить и проанализировать полученные результаты.

12. С помощью пунктов меню “Analysis” → “Fourier” убедиться в отсутствии высших гармоник в спектре выходного сигнала (на элементе С). Для этого перед началом спектрального анализа в меню “Fourier” установить:

---

- номер точки выходного узла схемы в окне “Output node” (заранее определяется так: подвести курсор к выходному узлу схемы, нажать правую кнопку мышки, войти в меню “Component properties”, в открывшемся окне “Node ID” прочитать номер узла);

- шаг частоты для анализа, равный частоте генератора ( в нашем случае – 1 кГц) в окне “Fundamental frequency”;

- число гармоник “Number harmonics” равное 9.
13. Собрать схему 1.2, моделирующую влияние разделительных конденсаторов на прохождение сигнала.


Схема 1.2.
14. Установить параметры элементов (N – номер по списку в журнале):

14.1. Генератор меандра (Clok) Е:

- амплитуда сигнала U_m = 5N, В;

- частота f = 50N, Гц.

14.2. R1 = 1 кОм , R2 = 2 кОм.

14.3. С1 = 10 / N мкФ, С2 = 1 / N мкФ.

15. Измерить:

- длительность импульса по уровню 0,5U_m ;

- длительность фронта и спада по уровню от 0,1 до 0,9 от U_m ;

- спад вершины импульса в % от U_m .

16. Уменьшить величину ёмкости С1 в два раза.

17. Повторить п.14 для нового значения С1.

18. Сравнить и проанализировать полученные результаты.

19. Заменить генератор Е на источник переменного напряжения (AC voltage source) с параметрами 0.5N В и 1 кГц.

20. С помощью пунктов меню “Analysis” → “AC freguency” снять амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики цепи для обоих значений ёмкости С1 в диапазоне частот от N Гц до 2N кГц.

21. Определить полосу пропускания цепи по уровню -3 дБ (0,707) для обоих значений ёмкости С1.

22. Сравнить и проанализировать полученные результаты.

23. С помощью пунктов меню “Analysis” → “Fourier” убедиться в отсутствии высших гармоник в спектре выходного сигнала (на элементе R2). Для этого перед началом спектрального анализа в меню “Fourier” установить:

- номер точки выходного узла схемы в окне “Output node” (заранее определяется так: подвести курсор к выходному узлу схемы, нажать правую кнопку мышки, войти в меню “Component properties”, в открывшемся окне “Node ID” прочитать номер узла);

- шаг частоты для анализа, равный частоте генератора ( в нашем случае – 1 кГц) в окне “Fundamental frequency”;

- число гармоник “Number harmonics” равное 9.

Содержание отчёта
1. Анализируемые схемы.

2. Результаты вычислений и измерений.

3. Формы выходных сигналов (импульсов).

4. Графики полученных характеристик.

5. Результаты проведенного анализа и выводы по работе.

Контрольные вопросы
1. Объясните форму импульса на конденсаторе С схемы 1.1.

2. Какова будет форма импульса напряжения на сопротивлении R схемы 1.1?

---

3. Как влияют параметры элементов схемы 1.1 на форму выходного импульса?

4. Как измерить длительность фронта и спада импульса с помощью осциллографа?

5. Объясните полученные АЧХ и ФЧХ схемы 1.1.

6. Что такое полоса пропускания? Как её измерить? Как влияют параметры цепи на полосу пропускания?

7. Объясните форму импульса на конденсаторе С2 схемы 1.2.

8. Как влияют параметры элементов схемы 1.2 на форму выходного импульса?

9. Объясните полученные АЧХ и ФЧХ схемы 1.2.

10. Какая связь между временными и частотными характеристиками исследуемых цепей?

11. Что такое линейные (частотные) искажения сигнала?

12. Какими должны быть АЧХ и ФЧХ цепей для передачи сигнала без искажений?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Прохождение сигнала через нелинейные цепи
Цель работы: изучить и проанализировать прохождение сигналов через нелинейную цепь.
Общие положения
При прохождении сигналов через большинство реальных радиоэлектронных устройств, помимо линейных искажений, исследованных ранее в лабораторной работе №1, возникают нелинейные искажения.

Причиной нелинейных искажений является прохождение сигнала через элементы, имеющие нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ), например, лампу, диод, транзистор, трансформатор. В результате этого искажается форма колебаний и изменяется их спектральный состав. Т.е. в спектре выходного сигнала присутствуют новые (дополнительные) гармонические составляющие, которые количественно оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник) К_г как соотношение всех высших (новых) гармоник к основной гармонике входного сигнала:

К_г = .

В данной работе в качестве нелинейного элемента используется биполярный транзистор. Чем больше амплитуда входного (выходного) сигнала, тем сильнее проявляется нелинейность ВАХ транзистора и тем сильнее искажения сигнала. В большинстве устройств приемлемым является коэффициент гармоник на уровне от десятых долей до единиц процентов.


Порядок выполнения работы
1. Собрать схему 2.1 для исследования нелинейных искажений в электронных цепях.


Схема 2.1.
2. Установить параметры элементов:

---

2.1. Генератор синусоидального напряжения (AC voltage source) Е1:

- амплитуда сигнала U_m = 0.05 В;

- частота сигнала f _с = 0.5N кГц.

2.2. Транзистор VT – идеальный.

2.3. Все остальные элементы – в соответствии с номиналами на схеме.

3. С помощью пунктов меню “Analysis” → “AC freguency” снять амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики схемы в диапазоне частот от 50 Гц до 50 кГц.

4. Определить полосу пропускания по уровню -3 дБ (0,707).

5. Провести анализ влияния элементов схемы на ход АЧХ и ФЧХ.

6. С помощью осциллографа визуально оценить степень искажения выходного сигнала (отклонение от синусоидальной формы). Перенести форму этого сигнала в отчёт.

7. С помощью пунктов меню “Analysis” → “Fourier” получить спектральную диаграмму на выходе схемы (на С_н). Для этого перед началом спектрального анализа в меню “Fourier” установить:

- номер точки выходного узла схемы в окне “Output node” (заранее определяется так: подвести курсор к выходному узлу схемы, нажать правую кнопку мышки, войти в меню “Component properties”, в открывшемся окне “Node ID” прочитать номер узла);

- шаг частоты для анализа, равный частоте генератора f_с (в окне “Fundamental frequency”);

- число гармоник “Number harmonics” равное 9.

8. Измерить и записать амплитуды всех гармоник.

9. Записать рассчитанное программой значение коэффициента нелинейных искажений (Total harmonic distortion).

10. Рассчитать коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) по формуле:

К_г = ,

где:

U_2, U_3, U_4, U₅ – амплитуды высших гармоник выходного сигнала, измеренные на спектральной диаграмме;

U₁ – амплитуда первой (основной) гармоники, измеренная там же.

11. Сравнить полученное значение со значением из п.9.

12. Повторить п.п. 6 - 11 для значений амплитуды генератора входного сигнала Е1 = 0.07 В и 0.1 В.

13. Проанализировать полученные результаты.
Содержание отчёта
1. Исследуемая схема.

2. Результаты вычислений и измерений.

3. Формы сигналов.

4. Графики полученных характеристик и диаграмм.

5. Результаты проведенного анализа и выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Что такое нелинейные искажения сигнала? Чем они отличаются от линейных?

2. Какой элемент исследуемой схемы является нелинейным? Почему?

3. Что влияет на величину нелинейных искажений в исследуемой схеме?

4. Какой К_г допустим при передаче речевого сигнала? Как он сказывается на выходном сигнале?

---

Смотрите также файлы

• Развитие у дошкольников чувства сопричастности к миру взрослых через форимрование представлений о мире.docx

• зіді тексер 1 Ахмет Байтрсынлы кім.docx

• fashion world Масаты.pptx

• Б отырысында аралды Мектеп директоры.docx

• Четверть 2 Предмет.doc