лабы / 9_Multisim_Езеров / Multisim_метода

щелкнув левой клавишей мыши. Появится окно Pulse Source (рис. 11.5, б). Введите в этом окне параметры: PART «Pulse» – имя источника напряжения; MODEL «Pulse» – имя модели источника напряжения.

Рис. 11.5

В окне таблицы Source введите следующие параметры периодических прямоугольных импульсов:

VZERO, VONE −1,1 – амплитуда прямоугольных импульсов (1 В); P1, P2 «0» – начало переднего фронта и плоской вершины импульса; P3 «100 us» – конец плоской вершины импульса (100 мкс);

P4 «100 us» – момент достижения нулевого уровня импульса (100 мкс); P5 «200 us» – период повторения импульсов fп =5 кГц.

Убедитесь, что источник напряжения работает правильно. Щелкните мышью на кнопке Plot. Появится окно Plot с зависимостью напряжения от времени (рис. 11.5, а). Нажмите кнопку OK (рис. 11.5, б).

Исследуйте периодические сигналы прямоугольной формы источника напряжения и произведите анализ амплитудного спектра этих сигналов. Для этого в меню Analysis выберите команду AC. На экране появится окно

101

Transient Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемых графиков так, как показано на рис. 11.6:

Time Range «2E-3» – временной интервал (0…2 мс); Maximym Time Step «1E-6» – максимальный шаг (1 мкс);

P – номера окон «1» и «2», в которых будут построены графики; X Expression «T» и «F» – аргументы функции;

Y Expression «V (Out)», «HARM (V(Out))» – имена выходного напряжения и его амплитудного спектра;

X Range «1m,0,0.1m» и «50k,0,5k» – интервалы отображения аргумента по оси X;

Y Range «1.5,-1.4,0.5» и «1.4,-0.1,0.2» – интервалы отображения функции по оси Y.

Рис. 11.6

Запустите построение, нажав кнопку Run. Снимите амплитудные значения 10 гармоник периодического напряжения прямоугольной формы. Результаты измерений занесите в табл. 11.2. Определите действующее значение периодического напряжения вначале по формуле

а затем непосредственно по графику (см. рис. 11.1, б), используя известное значение Um =1 В:

U = T1 T∫ u2(t) dt =Um .

0

Постройте график дискретного амплитудного спектра сигнала.

Таблица 11.2

102

напряжению на сопротивлении R1. Результаты измерений амплитудного спектра занесите в таблицу, аналогичную табл. 11.2. Определите по формуле (11.7) действующее значение периодического тока L -элемента. Постройте график амплитудного спектра тока.

11.3.3. Исследование периодического режима в C -элементе

В схему, показанную на рис. 11.4, б, вместо L -элемента включите C -элемент ( C = 0, 02 мкФ). По методике, описанной в 11.3.1, проведите

анализ амплитудного спектра тока C -элемента. Результаты измерений занесите в таблицу, аналогичную табл. 11.2. Определите действующее значение периодического тока C -элемента. Постройте график амплитудного спектра тока.

11.3.4. Определение частотных характеристик последовательной RLC -цепи

В схему, показанную на рис. 11.4, б, последовательно с L-элементом включите C-элемент ( C = 0, 02 мкФ). Исследуйте частотные характеристики RLC-цепи в диапазоне частот от 14 до 18 кГц. Для этого в меню Analysis выберите команду AC.

На экране появится окно AC Analysis Limits, в котором задайте параметры построения требуемых графиков так, как показано на рис. 11.7:

Fregutncy Range «20kHz, 10kHz» интервал частот от 10 до 20 кГц в линейном масштабе (Linear);

Number of Points «500» – количество точек;

P – номера окон «1, 2», в которых будут построены графики АЧХ и ФЧХ;

X Expression «f» – аргумент функции;

Y Expression «V(Out)/V(In), ph(V(Out)» – формулы расчета АЧХ и ФЧХ; X Range «18kHz,14kHz» – интервал отображения аргумента по оси X; Y Range «1.1,0,0.1» и «100,-100,20» – интервалы отображения функций

АЧХ и ФЧХ по оси Y.

103

табл. 11.2. Определите действующее значение периодического тока RLC -цепи. Постройте график амплитудного спектра тока.

11.4.Требования к отчету

Вотчете следует сформулировать цель работы, привести материалы всех пунктов экспериментального исследования и сделать заключение. По каждому пункту необходимо привести его название, схему исследуемой цепи, осциллограммы наблюдаемых сигналов, таблицу измерений и вычислений; требуемые расчеты, графики амплитудных спектров, а также качественно построенные графики частотных характеристик цепей. Кроме того, необходимо письменно ответить на следующие вопросы:

1. Изображенный на рис. 11.1, а сигнал u(t) не содержит гармоник

четных номеров. Почему? Соответствуют ли этому результаты эксперимента?

2. Согласуются ли результаты расчетов по формулам (11.6) и (11.7)?

3. Соответствует ли полученный график амплитудного спектра рис. 11.1, в?

4. Почему график тока iL (t) на рис. 11.1, в имеет пилообразную форму?

Сравните его с данными осциллограммы.

5. Насколько графики амплитудных спектров тока iL (t) и входного

напряжения соответствуют формуле (11.2)?

6. Почему график тока iC (t) на рис. 11.1, г имеет форму

последовательности дельта-функций? Сравните его с данными осциллограммы.

7. Насколько графики амплитудных спектров iC (t) и входного

напряжения соответствуют формуле (11.3)?

8. Какова резонансная частота цепи? Согласуется ли деформация спектра входного напряжения с частотной характеристикой цепи?

105

Работа № 12 ИССЛЕДОВАНИЕ ИСКАЖЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ИХ ЧЕРЕЗ ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ

Цель работы: изучение характера и степени искажений импульсных сигналов прямоугольной формы при прохождении их через линейные цепи.

12.1. Подготовка к работе

При исследовании искажений импульсных сигналов обычно через цепь пропускают сигнал прямоугольной формы. Более «гладкие» сигналы той же длительности имеют меньшую ширину спектра и, следовательно, искажаются слабее, чем прямоугольные импульсы. Искажения проявляются в удлинении передних и задних фронтов импульсов, в колебаниях на переднем и заднем фронтах (появление «выбросов»), в спаде плоской части импульсов.

Для оценки искажений используют 2 основных подхода:

1)в цепях первого и второго порядков, где корни характеристического уравнения (собственные частоты цепи) могут быть вычислены относительно просто, степень искажений можно оценить сравнением длительности импульса с длительностью переходного процесса (необходимо учитывать также форму переходного процесса);

2)в цепях высокого порядка, где вычисление собственных частот затруднено, сравнивают полосу пропускания цепи (определяемую значительно проще) с шириной спектра сигнала.

В обоих случаях оценка искажений будет приближенной, т. е. качественной:

1)чем меньше длительность и колебательность переходного процесса, тем ниже уровень ожидаемых искажений;

2)если главная часть спектра сигнала лежит в полосе пропускания цепи, то следует ожидать малых искажений.

Исследуемая в работе цепь первого порядка (рис. 12.1, а) имеет собственную частоту

где τц – постоянная времени цепи.

106

Уменьшение τц снижает длительность переходного процесса и искажения сигнала. Очевидно, если τц будет на порядок меньше

длительности сигнала, то искажения ожидаются незначительные.

В исследуемой цепи второго порядка (рис. 12.1, б) собственные частоты цепи определяются выражением

Рис. 12.1

Наиболее быстрый переходный процесс и, следовательно, меньшие искажения формы сигнала будут при кратных собственных частотах p1 = p2 ;

при вещественных различных корнях длительность переходного процесса увеличивается, а при комплексных собственных частотах переходный процесс становится колебательным и появляются «выбросы» на переднем и заднем фронтах выходного сигнала.

Исследуемые в работе цепи высокого порядка (рис. 12.2) также представляют собой фильтр нижних частот, но для оценки искажений здесь следует использовать частотный подход. АЧХ функции передачи по напряжению

Амплитудный спектр единичного по уровню входного прямоугольного импульса длительностью tи описывается выражением

107

Рис. 12.2

Ширина спектра определяется в первом приближении шириной первого «лепестка», т. е. первым нулем спектра (12.5)

12.2. Исследования с применением моделирующих компьютерных программных средств Multisim

Для начала работы необходимо включить компьютер и на рабочем столе открыть папку Лаб. раб. ТОЭ и в ней Лаб. раб. № 12. Исследования проводятся в цепи, схема которой приведена на рис.12.3, где 2 источника напряжения, подключаемые к цепи ключом S5, генерируют импульсы прямоугольной формы длительностью 2 и 10 мкс. Цепи I–VI порядков составляются ключами Key = 1, 2, 3, 4. Резисторы нагрузки R1–R4 подключаются роторным переключателем Key = 6.

12.2.1. Исследование искажений в цепи первого порядка

Соберите схему, изображенную на рис. 12.1, а (С = 200 пФ, R = 5 кОм), и снимите осциллограммы напряжений uвх(t) и uвых(t) .

Установите режим работы осциллографа (ждущий) Norm или Sing. Исследование проведите для двух входных сигналов прямоугольной формы длительностью 2 и 10 мкс.

Снимите осциллограммы входного и выходного напряжений, установив на экране их совмещенное изображение.

108

Снимите осциллограммы напряжений uвх(t) и uвых(t) при

длительности сигналов прямоугольной формы на входе 10 мкс.

Затем, для заданной цепи откройте Bode plotter и снимите АЧХ и ФЧХ

амплитудных спектров входных сигналов (вычисления проведите только для

ω = 0 иω = 2πf = π/ tи).

Определите полосу пропускания цепи ∆fпр = fср согласно (12.4) и

ширину спектра ∆fспсогласно (12.6) для каждого из входных импульсов. Сопоставляя ∆fпри ∆fсп согласно (12.7), оцените ожидаемую степень искажений.

12.3. Исследования с применением моделирующих компьютерных программных средств Micro-Cap 9

Для начала работы необходимо включить компьютер и запустить программу Micro-Cap 9: ПУСК/Все программы/ Micro-Cap 9.

12.3.1. Исследование искажений в цепи первого порядка

Соберите схему, показанную на рис. 12.4, а (С = 200 пФ,

окне Micro-Cap 9.

К входу исследуемой цепи подключите импульсный источник напряжения (PULSE). Для ввода источника PULSE откройте меню

Component/Analog Primitives/Waveform Sources и выберите Pulse Sours.

Рис. 12.4

110