3684

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника

ВОРОНЕЖ 2018

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Матвеев Н.Н., Панюшкин Н.Н.

ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника

ВОРОНЕЖ 2018

3

УДК 621.37/.39

Матвеев Н.Н. Основы радиоэлектроники [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника/ Н. Н. Матвеев, Н. Н. Панюшкин; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018.

–19 с. – ЭБС ВГЛТУ.

Вметодических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебными планами направлений, образцы оформления решения задач и отчета по лабораторной работе.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 2. Ил. 4. Библиогр.: 3 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: заведующий кафедрой общей физики ВГУ, доктор физ.-мат. наук, профессор Клинских А.Ф.

Ответственный редактор Матвеев Н.Н.

Коллектив авторов, 2018

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2018

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Основы радиоэлектроники» изучает фундаментальные законы, лежащие в основе принципов работы систем связи. Например, в основе принципов работы современных радиоэлектронных систем лежит теория радиосигналов и радиоэлектрических цепей. Поэтому освоение этой дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического, технологического и экономического профиля.

Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)оформление отчетов по результатам экспериментальных исследова-

ний;

3)выполнение индивидуальных заданий;

4)самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;

5)подготовка к коллоквиумам и зачету.

Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Основы радиоэлектроники» является овладение студентами теоретическими положениями и методами построения устройств формирования, приема и обработки радиосигналов.

Воснову курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов, протекающих при приеме и обработке радиосигналов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

-изучение основных положений теории преобразования сигналов;

-формирование у бакалавров представления о принципах построения и работы усилителей, генераторов, фильтров, детекторов и модуляторов радиосигналов;

-овладение терминологией и символикой, которые применяются в радиоэлектронике; методами составления и чтения основных видов радиотехнических схем; навыками проведения стендового физического эксперимента;

-формирование научного мировоззрения и представления о фундаментальных основах современных технологий в радиоэлектронике;

-формирование у студентов основ естественнонаучной картины мира.

Врезультате освоения дисциплины бакалавр или магистрант должен:

знать:

-физические основы работы элементов радиотехнических цепей и простейших радиоэлектронных приборов; принципы преобразования сигналов и построения простейших устройств для усиления, генерирования, детектирования, модуляции, фильтрации сигналов;

уметь:

-анализировать работу радиотехнических цепей;

-читать принципиальные и электрические схемы различных радиоэлектронных устройств;

владеть навыками:

-применения основных понятий теории радиосигналов и теории радиотехнических цепей для оценки качества радиоэлектронных систем;

-обработки и интерпретирования результатов эксперимента.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Предмет и основные понятия радиоэлектроники. Роль радиоэлектроники в современной науке и технике, тенденции развития. Основные принципы передачи и приема информации.

Раздел 1. Классификация, основные характеристики сигналов.

1.1 Спектральное представление сигналов. Периодические сигналы и ряды Фурье.

7

1.2Спектральная плотность периодического сигнала. Спектральное представление непериодических сигналов. Спектральная плотность неинтегрируемых сигналов.

1.3Модулированные сигналы и их спектры.

1.4Информация и сигнал. Информационная ёмкость дискретного и непрерывного сигналов.

1.5Дискретные сигналы. Теорема Котельникова.

1.6Алгоритмы дискретного и быстрого преобразований Фурье.

1.7Дискретная свертка сигналов. Корреляционный анализ сигналов. Шумы в радиоэлектронных устройствах.

Раздел 2. Линейные радиотехнические цепи.

2.1Элементы линейных электрических цепей. Линейные цепи с сосредоточенными параметрами.

2.2Дифференцирующая и интегрирующая цепи, колебательный кон-

тур.

2.3Четырехполюсники и их классификация. Характеристические параметры и передаточная функция четырехполюсника.

2.4Линейная фильтрация. Фильтры нижних и верхних частот.

2.5Полосовая фильтрация. Условия неискаженной передачи сигнала через электрическую цепь.

2.6Спектральные и переходные характеристики. Комплексный метод анализа линейных цепей.

2.7Метод комплексных амплитуд и векторных диаграмм.

2.8Преобразование Лапласа. Линейные цепи с распределенными параметрами.

2.9Волновое уравнение длинной линии. Телеграфные уравнения.

2.10Волновое сопротивление. Согласование линий. Волноводы.

Раздел 3. Нелинейные и параметрические радиотехнические цепи.

3.1Элементная база нелинейных радиотехнических цепей.

3.2Полупроводниковые приборы. Свойства p-n перехода.

3.3Диоды, их разновидности (стабилитроны, варикапы, туннельные

диоды).

3.4Биполярные транзисторы. Модель биполярных транзисторов.

3.5Полевые транзисторы, их разновидности.

3.6Прохождение гармонического сигнала через нелинейную цепь.

3.7Аппроксимация нелинейных характеристик. Нелинейное преобразование спектра сигнала. Нелинейные искажения.

3.8Подавление сигнала на нелинейности. Умножение частоты.

3.9Совместное воздействие на нелинейный элемент сигналов большой

ималой амплитуд.

3.10Цепи с переменными параметрами. Параметрические двухполюсники. Параметрические четырехполюсники.

Раздел 4. Усилители электрических сигналов.

4.1Классификация усилителей, основные понятия.

4.2Усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах.

8

4.3Апериодический усилитель (резистивный каскад).

4.4Усилитель постоянного тока. Дифференциальный усилитель.

4.5Основные характеристики усилительного каскада: амплитудная, ампли- тудно-частотная и фазочастотная характеристики, входное и выходное сопротивления, паразитные параметры.

4.6Обратная связь в усилителях. Влияние обратной связи на входные, выходные и пе-редаточные характеристики четырёхполюсников.

4.7Частотные и временные характеристики устойчивых систем с обратной связью. Стабильность характеристик системы.

4.8Ослабление нелинейных искажений с помощью отрицательной обратной связи.

4.9Устойчивость цепей с обратной связью. Критерий Найквиста.

4.10Типы обратной связи. Дифференциальный усилитель.

4.11Операционный усилитель. Применение операционных усилителей (сумматоры, активные фильтры).

Раздел 5. Генераторы гармонических колебаний.

5.1Автогенераторы гармонических колебаний Обобщенная схема автогенератора.

5.2Баланс амплитуд и баланс фаз в стационарном режиме автогенера-

тора.

5.3Самовозбуждение простейшего автогенератора. Стационарный режим автогенератора.

5.4Виды возбуждения автогенератора. КПД автогенератора и оптимизация режима запуска.

5.5Стабилизация частоты генераторов. Генераторы сверхвысоких частот. Кварцевые генераторы.

Раздел 6. Модуляция и детектирование сигналов.

6.1Принципы получения модулированных колебаний. Получение амплитудной модуляции с применением линейных каскадов.

6.2Модуляция в параметрических цепях. Техническая реализация амплитудной модуляции.

6.3Частотная модуляция в автогенераторе. Фазовая модуляция.

6.4Импульсная и цифровая модуляции.

6.5Детектирование сигналов. Амплитудное детектирование.

6.6Амплитудное детектирование нелинейными цепями.

6.7Амплитудное детектирование в параметрических цепях. Фазовое детектирование.

6.8Частотное детектирование. Преобразование частоты.

6.9Преобразование спектра в нелинейном шестиполюснике. Техническая реализация преобразователя частоты.

9

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Методические указания студентам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по подготовке к лабораторным занятиям;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к экзамену.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций.

10

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ НА ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ

Выполнение лабораторного практикума формирует у студентов важные компетенции по навыкам проведения стандартных испытаний в области тестирования полупроводниковых приборов, оформления отчета, анализа полученных результатов и формулировке вывода по проделанной работе, что является фундаментом для научно-исследовательской деятельности будущего профессионала. Необходимо заметить, что часть лабораторных работ проводится методом вычислительного эксперимента.

В процессе подготовки к выполнению лабораторной работы студент прежде всего овладевает способами постановки цели и выбора путей ее достижения. Для этого надо переписать из методического пособия по лабораторному практикуму в отчет название лабораторной работы и цель работы, а

затем проанализировать цель работы по плану:

1)определите, что исследуется в работе;

2)определите при каких условиях проходят исследования;

3)определите модель, в рамках которой осуществляется анализ полученных результатов.

Далее надо переписать в отчет описание модели и постановку задачи.

Оформление описания модели, постановка задачи

Для оформления теоретических основ проводимых исследований в методических указаниях предусмотрен раздел «Описания модели, постановки задачи», в котором в доступной для восприятия форме представлена необходимая для выполнения работы информация. В процессе изучения раздела необходимо:

1)найти и выписать определение исследуемого объекта или радиотехнической характеристики;

2)найти и записать условия проведения исследования;

3)привести в отчете формульное выражение, которое предстоит использовать в работе;

4)сделать рисунки, поясняющие формулировки, правила и закономерности.

Проверкой качества восприятия информации послужат ответы на контрольные вопросы, приведенные в конце методических указаний по данной работе.