Лабораторные практикумы / 2 Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемных устройств
.pdf
Серия «Библиотека студента»
В. В. Логвинов, В. В. Фриск
Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем мобильной и стационарной радиосвязи, теория электрических цепей
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ - II НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ
Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 210700 Инфокоммуникационные технологии и системы связи по профилю Системы радиосвязи и радиодоступа и Системы мобильной связи.
Москва СОЛОН-ПРЕСС
2011
УДК 621.396.218 ББК 32.884.1
Л 69
Рецензенты: Р.Б. Мазепа, профессор (МАИ) В.В. Баринов, профессор (МГИЭТ)
Логвинов В. В., Фриск В. В.
Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем мобильной и стационарной радиосвязи, теория электрических цепей. Лабораторный практикум – II на персональном компьютере. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 656.: ил. — (Серия «Библиотека студента»)
ISBN 978-5-91359-092-3
Данное учебное пособие фактически является продолжением вышедшей в 2008 году книги Фриск В.В., Логвинов В.В. «Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства. Лабораторный практикум на персональном компьютере».
Пособие состоит из двух частей. В первой части представлены лабораторные работы по дисциплине «Теории электрических цепей». Во второй части приведены лабораторные работы для студентов изучающих дисциплины «Схемотехника телекоммуникационных устройств», «Радиоприемные устройства систем мобильной связи» и «Радиоприемные устройства систем радиосвязи и радиодоступа». Все лабораторные работы выполняются на персональном компьютере с помощью системы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9, 10.
Для студентов, бакалавров, магистров и аспирантов высших учебных заведений (университетов связи), инженерно-технических работников, а также будет полезна учащимся техникумов и колледжей связи для направления подготовки Инфокоммуникационные технологии и системы связи, Радиотехника.
Сайт издательства «СОЛОН-ПРЕСС»: www.solon-press.ru
КНИГА — ПОЧТОЙ
Книги издательства «СОЛОН-ПРЕСС» можно заказать наложенным платежом (оплата при получении) по фиксированной цене. Заказ оформляется одним из трех способов:
1.Послать открытку или письмо по адресу: 123001, Москва, а/я 82.
2.Оформитьзаказможнонасайте www.solon-press.ru вразделе«Книга— почтой».
3.Заказать по тел. (499) 254-44-10, 795-73-26.
Бесплатно высылается каталог издательства по почте.
При оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому должны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество получателя. Желательно указать дополнительно свой телефон и адрес электронной почты.
Через Интернет вы можете в любое время получить свежий каталог издательства «СОЛОН-ПРЕСС», считав его с адреса www.solon-press.ru/kat.doc.
Интернет-магазин размещен на сайте www.solon-press.ru.
По вопросам приобретения обращаться: ООО «АЛЬЯНС-КНИГА КТК» Тел: (495) 258-91-94, 258-91-95, www.alians-kniga.ru
ISBN 978-5-91359-092-3 |
© Логвинов В. В., Фриск В. В., 2011 |
|
© Макет и обложка «СОЛОН-ПРЕСС», 2011 |
Предисловие
Предлагаемое Вашему вниманию учебное пособие является продолжением и развитием, ранее изданного авторами: В.В. Фриск, В.В. Логвинов «Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства. Лабораторный практикум на персональном компьютере». Публикуемое пособие учитывает требования федеральных государственных образовательных стандартов третьего поколения.
В первой части данного учебного пособия представлены лабораторные работы по дисциплине «Теория электрических цепей» (ТЭЦ), включающие исследование резонансных явлений, параметров четырехполюсников, аналоговых фильтров и цепей с распределенными параметрами, позволяющие студентам получить знания и навыки при анализе и синтезе электрических цепей с применением персонального компьютера (ПК).
Теоретическая часть материала, необходимого для выполнения работ по первой части изложена в книге Фриск В.В. «Основы теории цепей». Дополнительные лабораторные работы могут быть взяты из книги того же автора «ОТЦ. Лабораторный практикум на персональном компьютере».
Каждая лабораторная работа первой части рассчитана на 2 часа предварительной подготовки и на два часа выполнения на ПК типа IBM PC, на котором установлена программа Micro-Cap 9.0.7.0 Evaluation Version или более высокой версии, разработанной фирмой
Spectrum Software.
Во второй части пособия приведены лабораторные работы для студентов старших курсов, изучающих дисциплины «Схемотехника телекоммуникационных устройств» (CТУ), «Радиоприемные устройства систем мобильной связи» и «Радиоприемные устройства систем радиосвязи и радиодоступа» (РПрУ). В первом разделе второй части исследуются узлы, реализованные с применением интегральных микросхем (ИМС), и широко используемые в последетекторном тракте аналоговых радиоприемных устройств и систем подвижной радиосвязи. Определяются и оптимизируются основные характеристики активных полосовых RC-фильтров, регуляторов тембра, логарифмических усилителей, а так же бестрансформаторных усилителей мощности.
Во втором разделе исследуются типовые узлы приемников аналоговых и цифровых сигналов, обеспечивающих выделение и преобразование полезных сигналов из множества, поступающих на вход приемника. Проводится анализ узлов радиотакта с учетом их взаимного влияния, изучаются свойства преобразователей частоты и синхронного амплитудного детектора, построенных на основе ячейки Гильберта.
Исследование свойств реальных радиоэлектронных узлов проводится на основе их принципиальных схем с применением PSpiceмоделей активных компонентов отечественного производства.
Лабораторные работы второй части рассчитаны на 4 ч. предварительной подготовки и на 4 ч. ее выполнения на ПК.
Описание каждой лабораторной работы содержит сведения о параметрах используемых моделей компонентов, генераторов, особенности их применения и рекомендации по выбору условий анализа. Это позволяет выполнять лабораторные работы студенту, способному самостоятельно загрузить студенческую версию Micro-Cap 10 (demo) из Интернета с сайта http:www.spectrum-soft.com/.
Компьютерный практикум может быть предложен как альтернатива лабораторному, использующему натурное (физическое) исследование макетов узлов радиоэлектронных устройств. Его могут использовать студенты и с дистанционной формой обучения.
Работа по написанию данного учебного пособия распределилась следующим образом: главу 1 написал Фриск В.В. (http://frisk.newmail.ru/), главу 2 написал Логвинов В.В.
Глава первая
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ТЭЦ
Лабораторная работа № 16
Исследование на ЭВМ резонансных явлений в пассивном и активном последовательном колебательном контуре
1 Цель работы
С помощью программы Micro-Cap исследовать характеристики одиночного последовательного пассивного и активного колебательного контура при различных добротностях.
2 Задание для самостоятельной подготовки
Изучить основные положения теории цепей о резонансе напряжений стр. 84-97 [1], стр. 113-121 [2], стр. 4-18 [3], стр. 49-63 [4] и стр. 162-163, 168-170 [5]. Выполнить предварительный расчет, письменно ответить на вопросы для самопроверки.
3 Предварительный расчет
3.1 Рассчитать величину индуктивности L выбрав из заданного интервала величину ёмкости C [10; 40] нФ так, чтобы резонансная частота пассивного последовательного колебательного контура (рис. 1) f0=4,8 кГц.
Рис. 1
3.2 Рассчитать следующие параметры последовательного контура (U1=1 В): ρ — характеристическое сопротивление;
Q — добротность;
f1 — нижнюю граничную частоту; f2 — верхнюю граничную частоту;
П — абсолютную полосу пропускания; I0 — модуль входного тока при резонансе.
Расчеты провести для двух значений сопротивления R=160 и 640 Ом.
4
Полученные данные записать в таблицу 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По предварительному расчету |
|
|
Получено экспериментально |
|
|
|||||||||||
U1=1 В, f0=4,8 кГц, С=_____ Ф, L=_____ Гн. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R, |
|
ρ, |
Q |
f1, |
f2, |
П, |
I0, |
|
f0, |
f0, |
|
I0, |
f1, |
f2, |
П, |
|
Q |
|
Ом |
|
Ом |
|
кГц |
кГц |
кГц |
А |
|
кГц |
Гц |
|
А |
кГц |
кГц |
кГц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
160 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
640 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гиратор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
По предварительному расчету |
|
|
Получено экспериментально |
|
|
|||||||||||
U1=1 В, f0=5 кГц, С2=1 мкФ, G=0,1 См. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
R, Ом |
|
|
|
С2, мкФ |
|
|
|
|
|
|
f0, кГц |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.3 На одном графике построить три зависимости входного сопротивления от частоты f [2; 8] кГц, R=160 Ом:
•модуля входного сопротивления |ZBX(f)|;
•действительной части входного сопротивления Re[ZBX(f)];
•мнимой части входного сопротивления Im[ZBX(f)].
На другом графике повторить эти построения для R=640 Ом.
3.4 Построить график зависимости фазы входного сопротивления ϕZвх(f)=arg[ZBX(f)] от частоты f [2; 8] кГц.
Построения провести на одном графике для двух значений сопротивления R=160 и
640Ом.
3.5Построить график резонансной кривой, т.е. зависимость модуля входного тока |I(f)|
последовательного контура от частоты f [2; 8] кГц.
Построения провести на одном графике для двух значений сопротивления R=160 и
640Ом.
3.6Рассчитать значение ёмкости C1 так, чтобы резонансная частота активного последовательного колебательного контура с гиратором в качестве индуктивности (рис. 2) равнялась
f0=5 кГц. Принять R=0,1 Ом, C2=1 мкФ и G=0,1 См.
Полученные данные записать в таблицу 1.
Рис. 2
5
4 Порядок выполнения работы
Пассивный последовательный колебательный контур состоит из конденсатора, катушки индуктивности и резистора (рис. 1).
Из условия резонанса напряжений в последовательном пассивном колебательном контуре, записываемого в виде
Im(Z BX ) ,
где комплексное входное сопротивление контура
|
|
U |
1 |
|
|
1 |
|
|
Z BX = |
|
I |
|
= R + j |
ωL − |
|
|
, |
|
|
|
|
|
ωC |
|
||
можно найти резонансную частоту контура
ω |
L − |
1 |
= 0 , |
||
ω0C |
|||||
0 |
|
|
|
||
ω0 |
= |
|
1 |
= 0 , |
|
|
LC |
||||
|
|
|
|
||
итак как
ω0 = 2π f0 ,
окончательно получим f0 = 2π 1LC .
Остальные параметры последовательного контура вычисляются по следующим форму-
лам.
Характеристическое сопротивление
ρ = CL .
Добротность
Q = Rρ .
Нижняя граничная частота f1 = 2fQ0 ( 1+ 4Q2 −1).
Верхняя граничная частота f2 = 2fQ0 ( 1+ 4Q2 +1).
Абсолютная полоса пропускания
П=f2-f1.
Модуль входного тока при резонансе
I0 = UR1 .
Резонансная кривая тока при условии, что меняется только частота источника напряже-
ния
I (ω) = |
|
|
|
U1 |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|||
|
R |
2 |
ωL − |
1 |
|||
|
|
+ |
|
|
|||
|
|
||||||
|
|
|
|
|
ωC |
||
6
Определение добротности по резонансной кривой
Добротность Q последовательного контура можно определить при помощи резонансной кривой по формуле
Q = |
|
|
f0 |
|
|
|
|
. |
|
f |
2 |
− f |
||
|
|
1 |
|
|
Необходимые для этого построения показаны на рис. 3.
Рис. 3
Гиратор
Гиратором называется четырехполюсник (рис. 4), описываемый системой уравнений
I1 = −GU 2 ,
I 2 = −GU1
где G — проводимость гиратора (коэффициент гирации).
Рис. 4
Подключим к выходу гиратора комплексное сопротивление нагрузки Z2 (рис 5).
Рис. 5 Входное сопротивление нагруженного гиратора в этом случаи будет равно
Z |
1 |
= |
U |
1 = |
−I 2 |
|
= |
1 |
, |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
I1 |
G2 |
U |
2 |
|
G2 Z 2 |
|||
|
|
|
|
|||||||
7
т.к.
I 2 = −U 2 . Z1
Полученное выражение показывает, что с помощью гиратора нагруженного на конденсатор можно имитировать индуктивность. Действительно, подключим к гиратору конденсатор С2
(рис. 6).
Рис. 6 В этом случаи выходное сопротивление будет равно
Z 2 = jω1C2 .
Подставим его в формулу входного сопротивления. Получим то, что входное сопротивление имеет индуктивный характер
Z1 = jω GC22 = jωL ,
где L — эквивалентная индуктивность
L = GC22 .
Рассмотрим модель последовательного колебательного контура с гиратором имитирующим катушку индуктивности (рис. 7).
Рис. 7 Резонансная частота такого контура вычисляется по следующей формуле
f0 |
= |
|
1 |
= |
|
G |
|
. |
|
2π |
LC |
2π |
C C |
2 |
|||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
Исследуем с помощью ЭВМ характеристики пассивного и активного последовательного колебательного контура.
4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap
Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap
C:\MC9DEMO\mc9demo.exe или
ПУСК\Все программы\Micro-Cap Evaluation 9\Micro-Cap Evaluation 9.
В появившемся окне Micro-Cap 9.0.3.0 Evaluation Version (рис. 8) собрать схему для исследования колебательного контура (рис. 1).
8
Рис. 8
4.2 Сборка схемы пассивного последовательного колебательного контура
Соберем схему пассивного последовательного колебательного контура (рис. 1).
4.2.1 Ввод источника синусоидального напряжения
Ввести источник синусоидального напряжения V1.
Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выберите синусои-
дальный источник Sine Source (рис. 9).
9