46

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Запорізький національний технічний університет

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторних робіт

«Аналіз частотних характеристик лінійних кіл»

з дисципліни «Основи теорії кіл»

для студентів за фахом

6.170101 – «Безпека інформаційних і комунікаційних систем», 6.170102 – «Системи технічного захисту інформації»,

усіх форм навчання

2009

Методичні вказівки до лабораторних робіт «Аналіз частотних характеристик лінійних кіл» з дисципліни «Основи теорії кіл» для студентів за фахом 6.170101 – «Безпека інформаційних і комуніка­ційних систем», 6.170102 – «Системи технічного захисту інформації», усіх форм навчання /Укл: Л.М. Карпуков, Р.Ю. Корольков - Запорі­жжя: ЗНТУ, 2009. - 46 с.

Укладачі: Л.М. Карпуков, професор, д.т.н.

Р.Ю. Корольков, ст. викладач

Рецензент: С.М. Романенко, доцент, к.ф.-м.н.

Відповідальний за випуск: Р.Ю.Корольков

Затверджено

на засіданні кафедри

«Захист інформації»

Протокол №6 від 22.01.2009р.

ЗМІСТ

Загальна характеристика циклу лабораторних робіт ………..... 5

1 Лабораторна робота №1 Дослідження частотних

характеристик RC- і RL-кіл …………………….………………………………..…… 5

1.1 Мета роботи ….…………………………………………….. 5

1.2 Теоретичні відомості ……………………………...…… 5

1.3 Лабораторне завдання ………………………………… 8

1.4 Приклад дослідження кола …………………………. 11

1.5 Зміст звіту …………………………………………………… 15

1.6 Контрольні питання …………………………………..… 16

2 Лабораторна робота №2 Дослідження частотних

характеристик коливального контуру ……………………………………...…… 17

2.1 Мета роботи …………………………………………….…… 17

2.2 Теоретичні відомості …………………………………… 17

2.3 Лабораторне завдання ………………………………… 19

2.4 Зміст звіту ………………………………………………...… 21

2.5 Контрольні питання ……………………………….…… 22

3 Лабораторна робота №3 Розрахунок розгалуженого

електричного кола синусоїдального струму ……………………………….… 23

3.1 Мета роботи …………………………………………….…… 23

3.2 Теоретичні відомості …………………………………… 23

3.3 Лабораторне завдання …………………………..……… 24

3.4 Зміст звіту ……………………………………………….….… 25

3.5 Контрольні питання ……………………………………… 26

4 Лабораторна робота №4 Моделювання біполярного

транзистора ……………………………………………………………………………...…… 26

4.1 Мета роботи …………………………………………….…… 26

4.2 Теоретичні відомості ……………………………………… 26

4.3 Лабораторне завдання …………………………………… 29

4.4 Зміст звіту ………………………………………………………31

4.5 Контрольні питання …………………………………….… 32

5 Лабораторна робота №5 Аналіз електронної схеми

з залежним джерелом струму ………………………………………………..……… 32

5.1 Мета роботи ……………………………………………….… 32

5.2 Теоретичні відомості ……………………………………… 32

5.3 Лабораторне завдання ……………………………..…… 38|

5.4 Зміст|вміст,утримання| звіту ……………………………………………………… 39

5.5 Контрольні питання ………………………………….…… 40

Перелік посилань ……………………………………………………………… 41

Додаток А – Варіанти електричних схем ………………..………… 42

Загальна характеристика циклу лабораторних робіт

Цикл лабораторних робіт присвячений вивченню методів ана­лізу частотних характеристик лінійних ланцюгів, а також дослі­дженню частотно-вибіркових властивостей простих чотирьохполюс­ників, що складаються з R,C і L-елементів.

У лабораторних роботах розглядається:

- методи дослідження частотних характеристик чотирьохполюс­ників по їх комплексному коефіцієнту передачі і засобами Electronics Workbench (EWB);

- методика використання EWB для розрахунку складних ланцюгів в частотній області;

- матричні методи аналізу складних ланцюгів в частотній області.

Лабораторні роботи виконуються з використанням системи математичного моделювання MATHCAD та середовища EWB.

1 Лабораторна робота №1 дослідження частотних характеристик

RC- І RL-КІЛ

1.1 Мета роботи

Розрахунок і дослідження амплітудно-частотної та фазочасто­тної характеристик комплексного коефіцієнта передавання кіл, побу­дованих з RC або RL-елементів.

1.2 Теоретичні відомості

Частотний аналіз лінійного ланцюга (аналіз в частотній області) – це аналіз ланцюга на дію у вигляді гармонійного коливання, що змінюється згідно із законом

(1.1)

або

. (1.2)

Тут - амплітуда коливання;

- фаза коливання;

- початкова фаза коливання (фаза при );

- кутова частота, рад/сек;

f – циклічна частота, Гц=1/сек;

- період коливань, сек.

При дії на лінійний ланцюг гармонійним коливанням (1.1) струми і напруга в ланцюзі мінятимуться по аналогічному закону. Ві­дбудеться зміна тільки амплітуд і початкових фаз, частота коливань не зміниться. Таким чином, завданням частотного аналізу ланцюга є зна­ходження амплітуд і початкових фаз струмів і напруги на елементах ланцюга для заданої частоти вхідної дії.

Математичною основою частотного аналізу є метод комплекс­них амплітуд, відповідно до якого гармонійне коливання представля­ється в комплексній формі:

. (1.3)

Тут - комплексна амплітуда;

- початкова фаза коливання;

- уявна одиниця.

Зворотний перехід від символьного уявлення (1.2) до залежно­сті від часу (1.1) проводиться по співвідношеннях:

, (1.4)

. (1.5)

Унаслідок лінійності перетворень по методу комплексних амплітуд має місце наступний зв'язок між математичними моделями R,C,L - елементів для часової і частотної областей:

, (1.6)

, (1.7)

. (1.8)

Аналіз ланцюгів в частотній області проводиться по законах Кірхгофа і Ома, причому закон Ома для R,C,L – елементів записується у вигляді:

(1.9)

, (1.10)

, (1.11)

Тут - активний опір; , - реактивні опори.

Величини, зворотні реактивним опорам C,L – елементів, утво­рюють реактивну провідність: , .

У загальному випадку ділянка ланцюга характеризується ком­плексним опором, що складається з активного R і реактивного X опо­рів, тобто . Цей опір можна представити в показовій формі: , де - модуль, - аргумент компле­ксного числа.

Однією з основних характеристик чотирьохполюсників є ком­плексний коефіцієнт передачі по напрузі:

, (1.12)

де , - комплексна напруга на вході і виході чотирьохполюс­ника, відповідно.

Залежність модуля комплексного коефіцієнта пе­редачі від частоти називається амлитудно-частотною характеристи­кою (АЧХ) чотирьохполюсника, а залежність аргументу (фази) комплексного коефіцієнта передачі від частоти нази­вається фазочастотною характеристикою (ФЧХ) чотирьохполюс­ника

Частотні властивості чотирьохполюсників, складених з R,C або R,L – елементів, визначаються постійною часу ланцюга або . На частоті зрізу модуль коефіцієнта передачі зменшується в раз щодо максимального значення, рівного оди­ниці. На основі R,C або R,L –ланцюгів складаються прості фільтри ни­зьких частот (ФНЧ) або верхніх частот (ФВЧ). ФНЧ пропускає коли­вання низьких частот і затримує коливання високих частот. ФВЧ, на­впаки, пропускає коливання високих частот і затримує коливання ни­зьких частот. Частота зрізу розділяє смуги пропускання і затри­мання.