6.2. Описание лабораторной установки

Установка (рис. 6.6) состоит из лабораторного макета и подключенных к нему осциллографа и анализатора спектра.

Рис. 6.6

Лабораторный макет включает в себя генератор шума, набор фильтров (RC,RLCи ФНЧ с почти прямоугольной АЧХ) и коррелятор, позволяющий измерять нормированные КФ сигналов. Коррелятор реализует операцию, описываемую выражением (6.2), и его структурная схема содержит линию задержки на время, перемножитель и стрелочный прибор, выполняющий также функцию интегратора. Измерение КФ производится по точкам, для чего времязадержки линии можно изменять от 0 до 9,9 мкс с шагом 0,1 мкс.

Переключатель S1 макета позволяет выбрать вид исследуемой цепи;S2 — выбрать параметры выбранной цепи (кроме ФНЧ),S3 — подключать осциллограф и анализатор спектра ко входу (положение1) или выходу (положение2) исследуемой цепи.

Переключатель S4 определяет род работы коррелятора. В положениион измеряет КФ входного,— выходного процессов.

6.3. Задание и указания к выполнению работы

1. Измерить функцию СПМ и нормированную КФ процесса, создаваемого генератором шума на входе фильтров; наблюдать форму КФ на экране осциллографа.

Для измерения функции СПМ:

а) входной кабель анализатора спектра подключить к гнезду «Анализатор спектра» макета. Включить питание макета и анализатора;

б) переключатель S3 макета поставить в положение1;

в) на анализаторе спектра установить режим измерения спектра мощности;

г) совместить отметку нулевой частоты с началом координатной сетки экрана, а регуляторами полосы обзора и усиления установить удобное для наблюдения изображение спектра. Оно будет примерно соответствовать рис. 6.3, а. Изображение зарисовать.

Измерить ширину функции СПМ по уровню 0,5 от максимума в области положительных частот с помощью частотных меток.

Для измерения нормированной КФ:

а) произвести установку нуля измерителя КФ; для этого переключатель S4 поставить в положение «Уст.0» и ручкой «Уст.0» добиться нулевых показаний стрелочного прибора;

б) КФ входного шума измеряют, поставив переключатель S4 в положение. Перед измерением произвести нормировку КФ. Для этого переключатель «Задержка» поставить в положение «0» и ручкой «Усиление 1» установить стрелку прибора на деление «+1» (правый конец шкалы), что будет соответствовать значению. Затем, переключая задержкус шагом 0,1 мкс, снять правую часть КФ (до уровня значений ~ 0,1). Построить график. Определить время корреляциипо уровню 0,5. Проконтролировать выполнение соотношения.

Для наблюдения осциллограмм КФ:

а) входной кабель осциллографа подключить к гнезду «Осциллограф» макета. Включить осциллограф. Регуляторами «Усиление Y» установить размер изображения по вертикали примерно равным половине диаметра экрана;

б) установить ждущий режим развертки осциллографа;

в) длительность развертки выбрать в пределах (2...5);

г) уровень запуска генератора развертки осциллографа выбрать так, чтобы запуск производился только достаточно большими положительными выбросами шума (рис. 6.5, а). Сравнить форму КФ и время корреляции, измеренные по осциллограмме и с помощью коррелятора.

Измерение функции СПМ, КФ и наблюдение осциллограмм в последующих пунктах задания удобно производить одновременно.

2. Измерить функцию СПМ, КФ и наблюдать осциллограммы КФ на выходе RC-фильтраRCI.

Переключить переключатель S3 макета в положение2;S1 — в положение «RC»,S2 — в положение1.

На экране анализатора спектра появится изображение функции СПМ выходного сигнала, ширина которой значительно меньше, чем у входного, который, следовательно, можно считать белым шумом. Зарисовать форму спектра и измерить его ширину на уровне 0,5. Это удобно делать, увеличив масштаб изображения по частоте. Коэффициент передачи RC-фильтра, поэтому вид функции СПМ подчиняется зависимости. Точное значение эффективной ширины спектра, а значение, измеренное на уровне 0,5:. ЗначенияRв омах иСв пико- либо нанофарадах (если рядом с цифрой стоит «н») приведены на рис. 6.6. Сопоставить измеренные и расчетные значения.

Измерение r() выходных процессов производят в положении «» переключателяS4. Перед измерением провести нормировку КФ, как в п. 1, но ручкой «Усиление 2». Снятьr(), построить график, измерить.

Обратить внимание на изменение ширины КФ, дать этому объяснение.

Импульсная характеристика RC-фильтра, существующая приt  0, равна. Поэтому при воздействии на вход белого шумаи= 1,4RC.

Сопоставить измеренные и расчетные значения.

Наблюдаемые осциллограммы КФ должны представлять собой затухающую экспоненту. Зарисовать их, измерить и сопоставить с измеренными с помощью коррелятора.

Перечисленные измерения выполнить для фильтров RCII,RCIII, при этом каждый раз нормировать КФ ручкой «Усиление 2». Эти фильтры имеют относительно большие постоянные времени (RC III > RC II> RC I). Объяснить измененияи.

3. Измерить функцию СПМ, КФ и наблюдать осциллограммы КФ на выходе колебательного контура RLC I.

Перевести переключатель S1 макета в положение «RLC»,S2 — в положение1. На экране анализатора спектра появится изображение функции СПМ на выходе контура. Огибающая спектра должна соответствовать форме возведенной в квадрат АЧХ контура с максимумом на частоте резонанса.

Зарисовать изображение, измерить частоту максимума и эффективную ширину функции СПМ на уровне 0,5 от максимума.

Комплексный коэффициент передачи колебательного контура , где— резонансная частота, = 1/(2RC) — коэффициент затухания. Поэтому при воздействии на его вход белого шума вид функции СПМ на выходе должен подчиняться зависимости. Точное значение эффективной ширины спектра, а ширина, измеренная по уровню 0,5:.

Сопоставить измеренные и расчетные значения. Номинальные значения R в килоомах,L в микрогенри иСв пикофарадах приведены на рис. 6.6.

Измерить нормированную КФ выходного процесса, предварительно произведя нормировку ручкой «Усиление 2»; построить график, измерить .

Полоса пропускания контура столь мала, что на его выход проходят компоненты входного спектра с частотами, мало отличающимися от резонансной. На выходе образуется типичный узкополосный процесс, который может быть представлен в виде синусоиды с медленно меняющимися по случайному закону амплитудой и фазой. Образование этого процесса можно также объяснить суммированием откликов контура с импульсной характеристикой, имеющей колебательный характер ,t  0, на выбросы входного шума. В данном случае, что, в соответствии с (6.11), определяет и форму КФ выходного шумав виде затухающей косинусоиды с периодом 2/₀, подобно показанной на рис. 6.4, б.

Нормированную КФ измерять до уровня 0,1; измерение произвести по огибающей. Сопоставить измеренные и расчетные значения. Зарисовать осциллограммы и сравнить их вид с измереннойr().

Перечисленные измерения выполнить для цепей RLC IIиRLC III.

Контур RLC IIимеет меньшее значение коэффициента затуханияпо сравнению сRLC I, а контурRLC IIIнастроен на вдвое меньшую частоту₀. Объяснить происходящие в связи с этим изменения функции СПМ и формы КФ.

4. Измерить функцию СПМ, нормированную КФ и наблюдать осциллограммы КФ шума на выходе ФНЧ с АЧХ, близкой к прямоугольной. Перевести переключатель S1 макета в положение «ФНЧ».

Данный фильтр имеет коэффициент передачи по мощности, близкий к 1 и почти одинаковый для всех спектральных составляющих вплоть до частоты среза .

При воздействии на вход белого шума функция СПМ выходного сигнала имеет вид: .

Зарисовать огибающую спектра на экране и определить . Она совпадает с частотой срезаF_max.

КФ выходного процесса , нормированная КФ, так как преобразованием Фурье от прямоугольной функции является функция вида. Расчетная ширина КФ по огибающей составляет. Моменты перехода КФ через нуль кратны.

Измерить нормированную КФ, построить график, определить . Сравнить полученные результаты с расчетными.

Зарисовать осциллограммы КФ выходного шума. Сопоставить их с измеренной с помощью коррелятора r().