Файл: Методические указания по выполнению контрольной работы 1 для студентов заочной формы обучения по специальности 21. 05. 01 Прикладная геодезия, направлению подготовки 21. 03. 03 Геодезия и дистанционное зондирование.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.03.2024
Просмотров: 61
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
79 скачка нет. Ток через ёмкость законом коммутации не ограничивается и делает скачок до
R
U
(рисунок 51б). Постоянная времени цепи τ=RC. Из графика изменения тока можно сделать вывод (основываясь на законе Ома), что
сопротивление ёмкости за время переходного процесса меняется от нуля при t=0 до бесконечности при t=5τ, при условии, что ёмкость до коммутации заряда не имела.
Аналогично для сопротивления индуктивности. При t=0 оно равно бесконечности, а при t=5τ равно нулю. Индуктивность постоянному току
сопротивления не оказывает.
Закон Ома для нестационарного режима
U
L
(t)=L
'
i
напряжение на индуктивности пропорционально
скорости изменения тока в индуктивности
I
C
(t)=C
'
u
ток через ёмкость пропорционален скорости изменения
напряжения на ёмкости
U
R
(t)=I(t)R напряжение на резисторе повторяет форму изменения тока, то есть на резисторе переходного процесса нет.
Вопросы для самоконтроля
1.
Что показывают законы коммутации? О чем они говорят?
2.
График заряда разряда конденсатора. По какой кривой происходят эти процессы?
3.
Что такое постоянная времени переходного процесса?
4.
Три вида переходных процессов?
Интегрирующие и дифференцирующие цепи
На рисунке 52 представлена интегрирующая цепь. Она представляет собой видоизменённую схему, изображённую на рисунке 51, которая из 2-х полюсника стала 4-х полюсником – появился вход и выход. Выходной сигнал
(напряжение) снимается с ёмкости. При подаче импульса напряжения на вход цепи (это равносильно включению ёмкости на постоянное напряжение) ёмкость начнет накапливать заряд, и накопление (суммирование, интегрирование) будет происходить по экспоненциальному закону, соответственно, и напряжение на
80 нем будет нарастать по экспоненте от нуля до своего максимального значения.
Его значение можно определить по формуле
U
вых
= U
0
(1 - e
-t/τ
)
Рисунок 52. Интегрирующая цепь
Если входной сигнал будет в виде импульсов, то на выходе получается пилообразное напряжение: заряд конденсатора, разряд конденсатора. Очень похожая картинка для гармонического сигнала изображена на рисунке 46 б
(штриховая линия напряжения
C
U
). На рисунке 47 конденсаторы
1
C
и
2
C
выполняют функции интегрирования.
Если на рисунке 52 поменять местами резистор R и ёмкость С, то получим дифференцирующую цепь. Один и тот же ток будет и в ёмкости и резисторе, а напряжение на резисторе будет повторять форму тока. Формы входного и выходного напряжения представлены на рисунке 53. Если на вход подать последовательность прямоугольных импульсов, а постоянную времени τ цепи взять значительно меньше длительности импульса, то на выходе получится последовательность положительных и отрицательных импульсов, имеющих очень короткое время нарастания переднего фронта (из-за скачка тока в ёмкости). Эта характеристика очень важна для цифровой техники.
Если напряжение на входе отключается, то скачок в отрицательную сторону.
81
Рисунок 53. Дифференцирующая цепь
Аналогичные цепи можно построить на тех же принципах на элементах R и L.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Вопрос для самоконтроля
1.
На чем основана работа дифференцирующей и интегрирующей цепей?
РЕЗОНАНС В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ И
БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ
Явление резонанса относится к наиболее важным с практической точки зрения свойствам электрических цепей. Резонанс в электрической цепи – это явление в электрической цепи , содержащей участки, имеющие индуктивный и
емкостной характер, при этом разность фаз напряжений и токов на входной
цепи равна нулю. Это явление позволяет получить напряжение на ёмкости или индуктивности значительно больше напряжения питания (но, конечно, без увеличения мощности).
Общее условие резонанса. Для любого двухполюсника общее условие можно сформулировать в виде Im[Z]=0 (при резонансе напряжений) Im[Y]=0,
(при резонансе токов) где Im[Z] и Im[Y] мнимая часть комплексного сопротивления и мнимая часть комплексной проводимости двухполюсника.
Следовательно, режим резонанса полностью определяется параметрами
электрической цепи и не зависит от внешнего воздействия на нее со стороны источников электрической энергии. Для определения условий возникновения режима резонанса в электрической цепи нужно:
найти ее комплексное сопротивление или проводимость;
выделить мнимую часть и приравнять её нулю.
82
Простейшими электрическими цепями, в которых может возникать резонанс, являются последовательное и параллельное соединения резистора, индуктивности и емкости.
Рисунок 54. Последовательный и параллельный колебательные контура
Соответственно схеме соединения, эти цепи называются последовательным и параллельным резонансным контуром (Рисунок 54).
Наличие резистивного сопротивления в резонансном контуре по определению не является обязательным, и оно может отсутствовать как отдельный элемент
(резистор). Однако при анализе резонанса это сопротивление следует учитывать, по крайней мере, как сопротивление проводников. Именно на этом резистивном сопротивлении теряется часть электромагнитной энергии, поэтому его называют сопротивлением потерь. Чем потери меньше, тем качественнее контур. Качество контура оценивается параметром, который называется добротность контура.
Последовательный резонансный контур представлен на рис. 54 слева.
Напомним, что фаза индуктивного сопротивления +90 0
, а ёмкостного минус 90 градусов, тогда Комплексное сопротивление цепи равно
(1)
Условием резонанса из выражения (1) будет
(2)
Таким образом, резонанс в цепи наступает, когда индуктивное сопротивление x
L
= ωL равно емкостному сопротивлению x
C
=1/(ωC). Эти сопротивления в контуре имеются, но (и это самое важное) их сумма
(векторная) равна нулю, то есть, по закону Ома, ток ограничивает только сопротивление потерь R. При резонансе сила тока максимально возможная.
83
Значение сопротивления при резонансе
x
L
=x
C
=ρ называется
характеристическое или волновое сопротивление контура. Отношение ρ/R=Q является добротностью контура. Частота ω
Р при резонансе называется
резонансная частота и равна частоте собственных колебаний контура
ω
0
=
LC
1
, а ρ=
C
L
Рассмотрим теперь падения напряжения на элементах контура. Пусть резонансный контур питается от источника, создающий ток i=I
m
sinωt. Падение напряжения на входе уравновешивается суммой напряжений на элементах
(4)
Переходя от амплитудных значений к действующим, получим напряжения на отдельных элементах контура
, а при резонансной частоте
Величина обратная добротности
=1/Q – называется затуханием. Таким образом, добротность числено равна отношению напряжения на реактивном элементе контура к напряжению на резисторе или на входе в режиме резонанса
(рисунок 55). Добротность может составлять несколько десятков единиц и во столько же раз, напряжение на реактивных элементах контура будет
превышать входное. Поэтому резонанс в последовательном контуре называется резонансом напряжений.
84
Рисунок 55. Резонансные кривые
Вопросы для самоконтроля
1.
В чем суть резонанса токов и напряжений?
2.
Условие возникновения электрического резонанса?
3.
Что такое полоса пропускания и добротность контура?
Принципы беспроводной связи
Для реализации беспроводной связи (передачи информации через пространство) необходимо иметь источник, излучающий энергию в пространство, а с этой энергией, переносилась бы информация. Если заставить энергию меняться во времени, то есть закодировать её информацией, а в другой точке пространства приёмник энергии раскодировал её, то есть извлёк бы информацию. В качестве излучателя и приёмника можно использовать колебательные контура. В контуре необходимо создать незатухающие колебания (смотри генераторы гармонических колебаний), и заставить электромагнитную энергию излучаться в пространство. Для этого одна пластина конденсатора колебательного контура становится антенной.
Рисунок 56. Превращение колебательного контура в излучатель
электромагнитной энергии
85
На рисунке показаны: В – силовые линии индукции магнитного поля, Е – силовые линии напряженности электрического поля. Эта электромагнитная энергия излучается в пространство (рис. 56б).
На рисунке 57б представлена временная диаграмма тока в антенне, соответствующего телеграфному сигналу азбуке Морзе «точка», «тире», или, что, то же самое, передача в двоичном коде «единицы» на частоте f
2,
«нуля» на частоте f
1
. Правый участок частотой f
2 соответствует передачи трёх единиц подряд. Такое кодирование, излучаемой энергии с целью передачи информации называется кодированием по частоте, или частотной модуляцией (FM) несущей частоты f
2.
. Частотная модуляция помехоустойчивая, поэтому для передачи информации с высоким качеством, радиостанции используют FM.
Рисунок 57 Формы сигналов при частотной модуляции.
Однако, для передачи звука чаще используют амплитудную модуляцию.
На рисунке 58 представлена амплитудная модуляция. Высокая несущая частота с амплитудой I
м0
(рис. 58б) изменяется по амплитуде по закону изменения звука
(огибающая, рис. 58а). Приёмник извлекает огибающую (детектирует сигнал), то есть извлекает информацию.
86
Рисунок 59. Амплитудная модуляция
На рисунке 60 представлена простая схема приёмника прямого усиления, состоящая из четырёх блоков: входного колебательного контура с приёмной антенной, усилителя высокой частоты (УВЧ, усиливает несущую частоту),
детектора, выделяющего низкую частоту (огибающую) и усилителя низкой частоты (УНЧ, звуковой).
Колебательный контур передатчика настроен на резонансную частоту
(несущая частота), которая модулирована информацией. Переменное электромагнитное поле несущей частоты, излучаемое в пространство, по закону
электромагнитной индукции, создаст в приёмной антенне индукционный ток.
Если приемный колебательный контур настроен на резонансную частоту передатчика, то в нём возникнут колебания, соответствующие колебаниям в передатчике. Поэтому, чем выше добротность контура, тем лучше он сможет выделить одну из близко расположенных несущих частот. Если добротность плохая, то можно одновременно принимать два и более передатчика, которые для принимающей стороны мешают друг другу.
87
Рисунок 60. Схема приёмника прямого усиления
При амплитудной модуляции информация закладывается в изменение амплитуды. Внешние электромагнитные поля, не связанные с передатчиком, также по закону электромагнитной индукции создают ток в антенне приёмника, искажая амплитуду несущей частоты передатчика, то есть искажают информацию. При частотной модуляции такого не происходит, так как искажается амплитуда, а информация заложена в частоте.
Вопросы для самоконтроля
1.
Как получается открытый колебательный контур?
2.
Что такое несущая частота?
3.
Как несущая частота передаёт информацию?
4.
Как информация выделяется в приёмнике?
5.
Как в приёмнике происходит поиск требуемого передатчика?
6.
Что такое частотная модуляция и почему она используется в носимых радиостанциях?
ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Дискретизация по времени и квантование по уровню лежат в основе преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую. Для того, чтобы понять, как дискретизация по времени и квантование могут преобразовать аналоговый сигнал в последовательность чисел, давайте вначале рассмотрим характеристики этого сигнала.
88
Аналоговый сигнал — это напряжение, непрерывно изменяющееся во времени. Таким образом, аналоговый сигнал имеет два параметра — время и уровень (величину сигнала) — и для его правильной передачи эти параметры необходимо закодировать.
В цифровом сигнале также должна сохраняться временная и уровневая информация. Но вместо кодирования и записи этих параметров в аналоговой форме (как на грампластинке), в цифровой записи временные и уровневые параметры сохранены в дискретной форме.
Временная информация кодируется в цифровой форме путем периодического измерения мгновенных значений сигнала. Дискретное значение аналогового сигнала называют отсчетом. Уровень кодируется в результате представления значения каждого отсчета при помощи числа. Этот процесс называется квантованием. Таким образом, дискретизация по времени и
квантование по уровню являются основой цифрового преобразования
Дискретизацию можно проводить не только по времени, но и по
количеству необходимых отсчетов.
Рисунок 61. Сигнал до квантования (а), сигнал после квантования (б),
ошибка квантования
На рисунке 61а сигнал, содержащий 256 отсчетов (отдельные отсчеты в этом масштабе не различимы), значения уровня сигнала измеряются в вольтах и изменяются непрерывно, т.е. квантования нет. На рисунке 61б показан тот же
