Radioavtomatika

связи ЛХ и переходных процессов с АЧХ САУ;

связи переходных процессов с распределением полюсов передаточной функции замкнутых САУ.

1.3.Содержание отчета

1.Схема лабораторной установки с указанием номиналов ее элементов.

2.Функции передачи всех исследуемых систем в разомкнутом состоянии с указанием параметров.

3.Семейство ЛХ.

4.Распределения полюсов передаточных функций замкнутых САУ.

5.Семейство расчетных и экспериментальных переходных процессов.

6.Семейство АЧХ.

7.Расчетные соотношения для построения переходных процессов по ЛХ и рекомендации относительно их достоверности.

8.Выводы по результатам выполнения лабораторной работы.

1.4.Контрольные вопросы

1.Как изменятся переходные процессы и АЧХ САУ при увеличении (уменьшении) коэффициента K ?

2.Как изменятся переходные процессы и АЧХ САУ при изменении по-

стоянных времени T1 T4 ?

3.Каким образом влияет переменный резистор на переходные процессы САУ 4-го типа?

4.Какая связь существует между ЛХ и АЧХ?

5.В каком направлении следует изменять ЛХ и АЧХ для снижения колебательности системы?

6.Указать установившееся значение выходного напряжения САУ при g(t) 1(t) (ответ обосновать).

10

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Цель работы:

1)ознакомление с функциональными элементами системы ФАПЧ и принципом ее работы;

2)исследование точности в зависимости от структуры и параметров сис-

темы;

3)исследование возможностей изменения динамических свойств системы методом последовательной коррекции.

2.1. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из макета системы ФАПЧ, генератора гармонических сигналов и осциллографа. Система ФАПЧ в простейшей комплектации содержит фазовый дискриминатор (преобразует разность фаз двух сигналов в управляющее напряжение), цепи коррекции и управляемый генератор (во времязадающей цепи этого генератора включен управляемый напряжением реактивный элемент). Если входной и выходной сигналы системы ФАПЧ расстроены по фазе (или частоте), то фазовый дискриминатор вырабатывает управляющее напряжение соответствующего знака, под действием которого изменяются параметры времязадающей цепи управляемого генератора и, соответственно, изменяется частота (и фаза) выходного сигнала так, чтобы уменьшить первоначальную расстройку. Без учета нелинейности статических характеристик функциональных элементов и инерционности фазового дискриминатора функцию передачи системы ФАПЧ в разомкнутом состоянии можно представить в виде:

W ( j ) KjV WКЦ ( j ),

где WКЦ ( j ) – функция передачи корректирующей цепи; KV – коэффициент

усиления.

В САУ 1 порядка астатизма динамическая ошибка слежения зависит от скорости изменения воздействия (в нашем случае – фазы) и коэффициента усиления системы:

11

где ос – остаточная ошибка слежения за фазой в градусах (полезно фазу считать размерной величиной); f – начальная расстройка частот генераторов [Гц].

Предусмотрены 3 варианта включения простейшей системы ФАПЧ (переключатель S1):

– без коррекции:

причем постоянные времени цепей коррекции T1 , T2 и T3 зависят от номиналов резисторов и емкостей, указанных на макете.

Частотные и фазовые соотношения сигналов управляемого и внешнего генераторов наблюдаются по фигурам Лиссажу на экране осциллографа. Для измерения ошибки слежения ОС используется фазовращатель, включенный на выходе управляемого генератора. Предварительно, в разомкнутом состоянии системы ФАПЧ (положение 1 переключателя S1), выполняют ручную грубую подстройку частоты внешнего генератора по конечному результату (фигура Лиссажу – эллипс). Затем замыкают кольцо слежения и, с помощью фазовращателя, фигура Лиссажу преобразуется к удобной для наблюдения форме (линия или «восьмерка»). Плавное изменение частоты входного сигнала влияет на ошибку слежения, что приводит к деформации фигуры Лиссажу. Возвращая фигуру в прежнее положение с помощью фазовращателя, можно измерить (по шкале фазовращателя) величину остаточной ошибки ос .

Следует иметь в виду, что реальная зависимость ос ( f ) из-за нелинейности статической (дискриминационной) характеристики фазового дискриминатора описывается нелинейной нечетной функцией. При этом экспе-

12

риментально удается получить лишь фрагмент зависимости ос ( f ) , на котором следует выявить линейный участок для расчета коэффициента KV .

Для качественной оценки быстродействия и степени колебательности переходных процессов в системе ФАПЧ в цепи входного сигнала предусмотрена фазосдвигающая цепь, включаемая тумблером «Скачок фазы».

В полной комплектации система ФАПЧ содержит, дополнительно, электронный интегратор: подключается «эквивалент двигателя».

2.2.Задание по работе

1.Включить генератор, макет и осциллограф.

2.Разомкнуть систему ФАПЧ (переключатель в положении 1).

3.Настроить осциллограф для наблюдения фигур Лиссажу.

4.Изменяя частоту генератора, обеспечить совпадение частот внешнего генератора и управляемого генератора системы ФАПЧ (эллипс на экране осциллографа). Замкнуть систему ФАПЧ (переключатель в положении 2). Измерить полосу удержания системы ФАПЧ.

5.Ручку «частота генератора» установить в среднее положение (см.п.4).

Спомощью фазовращателя зафиксировать положение эллипса, представив его в виде линии или «восьмерки». Изменяя частоту генератора f и измеряя

приращение фазового сдвига ос с помощью фазовращателя, построить зависимость ос ( f ) (должна получиться нечетная функция). Для построения графика ос ( f ) требуется 3-5 точек при расстройке частоты в одну сторону и столько же точек – в другую.

6. Для линейного участка зависимости ос ( f ) определить коэффици-

ент усиления KV с помощью формулы (2.1). Это значение согласовать с преподавателем.

7.Качественно оценить переходные процессы в системе ФАПЧ (для этой цели используется тумблер «скачок фазы»).

8.Включить «эквивалент двигателя» и повторить пп.4-6 (при изменении частоты генератора учесть длительный перезаряд емкости электронного интегратора). Схему электронного интегратора зарисовать и вычислить его передаточную функцию (в общем виде).

Выключить все приборы.

13

9. Используя полученное в п.6 значение KV , построить (в домашних условиях) асимптотические логарифмические характеристики для 3-х вариантов включения системы ФАПЧ первого порядка астатизма (все ЛХ построить на одном графике для удобства сравнения; параметры корректирующих элементов указаны на макете). По логарифмическим характеристикам оценить качество переходных процессов.

2.3.Содержание отчета

1.Функциональная схема системы ФАПЧ, схемы корректирующих элементов с указанием номиналов резисторов и емкостей, схема электронного интегратора, функции передачи разомкнутой системы для всех исследуемых вариантов.

2.Таблица и график зависимости ос ( f ) , расчет KV и постоянных

времени корректирующих элементов.

3.Асимптотические ЛХ для 3-х вариантов построения системы ФАПЧ первого порядка астатизма.

4.Сравнительные характеристики переходных процессов и их объясне-

ние.

5.Полосы удержания исследуемых систем ФАПЧ.

6.Структура формирующего фильтра для ситуации f const .

2.4.Контрольные вопросы

1.Как работают функциональные элементы системы ФАПЧ и вся система в целом?

2.Какой параметр входного сигнала является информативным для системы ФАПЧ?

3. Какой вид имеет структура формирующего фильтра в случаеf const , f 0 , f vt ? Какой вид имеет структура согласованной САУ?

4.Как изменяются свойства системы ФАПЧ при увеличении (уменьшении) коэффициента усиления KV ?

5.С какой целью включаются корректирующие элементы в системе ФАПЧ первого порядка астатизма?

6.Как изменяются свойства системы ФАПЧ при электронного интегра-

тора?

14

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТЫ С СИСТЕМОЙ ФАПЧ

Цель работы:

1)ознакомление с принципом работы синтезатора частоты и особенностями работы системы ФАПЧ в его составе;

2)исследование переходных процессов дискретной САУ;

3)применение метода ЛЧ для анализа динамических характеристик

САУ.

3.1. Описание лабораторной установки

Исследуемый синтезатор частоты состоит из

опорного кварцевого генератора ( f0 1000 кГц );

делителя частоты с коэффициентом деления 1:1000;

импульсного фазового детектора (ИФД) в 2-х вариантах исполнения (ИФД1 выполнен на устройстве выборки-хранения с предварительным формированием пилообразного напряжения; ИФД2 выполнен на триггере);

ФНЧ (апериодическое звено с постоянной времени 1 мс или

20мс);

управляемого генератора, работающего в диапазоне частот 1900…2600 кГц (управление частотой осуществляется как от фазового детектора, так (в режиме частотной модуляции) и от внешнего генератора);

делителя частоты с коэффициентом деления 1:2;

делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 1:КДПКД (КДПКД=2000…2510 с шагом 1);

фазового манипулятора, используемого в режиме фазовой моду-

ляции.

Синтезатор позволяет сформировать дискретную сетку частот в диапазоне 1000…1255 кГц с шагом сетки 1 кГц.

Помимо исследуемого синтезатора частоты в состав лабораторной установки включены:

мультиметр, предназначенный для измерения частоты форми-

руемых колебаний, коэффициента усиления ИФД ( KФД ), постоянной составляющей напряжения на выходе ИФД, амплитуды модулирующего напряжения и девиации частоты ("перелистывание" страниц индикатора муль-

15

тиметра осуществляется кнопками << и >>, запуск встроенного частотомера при различных временах усреднения (накопления) частотомера (1, 10, 100, 1000 и 10 000 мс) осуществляется кнопкой Т).

генератор модулирующего напряжения,

органы управления режимом работы синтезатора частоты. Нажатие любой кнопки в нижней части лицевой панели стенда приво-

дит к изменению режима работы исследуемой схемы, которое сопровождается зажиганием соответствующего светодиода. Повторное нажатие на ту же кнопку приведет к изменению состояния на последующее или противоположное.

Принцип работы синтезатора частоты состоит в следующем. В режиме слежения системы ФАПЧ сигналы на входах фазового детектора имеют оди-

наковую частоту, поэтому, при заданной частоте f0 1000 входного сигнала,

частота управляемого генератора должна быть больше ее в KДПКД раз. При

этом фазовый детектор формирует постоянное управляющее напряжение (для ИФД1), пропорциональное разности фаз сигналов на его входах. Изменяя KДПКД , можно изменять частоту управляемого генератора. В случае

срыва слежения системы ФАПЧ на выходе фазового детектора возникают биения.

Основным преимуществом синтезатора частоты с системой ФАПЧ в сравнении с пассивными синтезаторами, использующими метод многократного преобразования частоты, является низкий уровень побочных спектральных составляющих в выходном сигнале. Недостатками синтезатора частоты с системой ФАПЧ являются большее время перестройки частоты и возможность срыва слежения, при котором частота выходного сигнала существенно отличается от заданной.

Ширина полосы удержания системы ФАПЧ определяется максимально возможным изменением частоты управляемого генератора под воздействием управляющего напряжения. Полоса захвата не превышает полосу удержания и зависит от характеристик дополнительного ФНЧ.

Наличие ИФД превращает систему ФАПЧ в импульсную и анализ ее непрерывного эквивалента возможен лишь в том случае, когда длительность переходного процесса существенно превышает период входных импульсовt 1000 f0 . В частности, при включении ИФД1 система ФАПЧ проявляет

16

свойства дискретной системы, которые можно наблюдать при исследовании переходных процессов.

3.2.Задание по работе

1.Включить лабораторную установку и осциллограф. Листая страницы мультиметра (кнопки << и >>), ознакомиться с их содержанием.

2.В соответствии с приведенным выше описанием синтезатора частоты изобразить его функциональную схему.

3.Убедиться в работоспособности синтезатора частоты. Для этого включить систему ФАПЧ, ИФД1, установить частоту выходного сигнала

1050 кГц и KФД 4,5 .

Полосу пропускания ФНЧ выбрать равной 1 кГц, род работы – немодулированные колебания. Изменяя частоту выходного сигнала через 10 кГц до 1250 кГц наблюдать показание мультиметра Fr , а на экране осциллографа – напряжение на выходе ИФД1. Изменить частоту еще на 10 кГц (индикатор УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ покажет 1000 кГц) и зарисовать осциллограмму биений на выходе ИФД1 при срыве слежения, объяснить ее форму.

4. Снять настроечную характеристику управляемого генератора. Для этого убедиться в установке переключателя РОД РАБОТЫ в положении НЕМОД., систему ФАПЧ выключить. Изменяя управляющее напряжение на варикапе ручкой KФД от минимального до максимального значений, снять

зависимость частоты выходного сигнала Fr от напряжения (значения Fr и uФД фиксировать по показаниям мультиметра; убедиться, что показания ос-

циллографа соответствуют значениям uФД ). Построить график и определить

на нем линейный участок. В центре линейного участка выбрать рабочую частоту.

5. Исследовать переходные процессы в системе ФАПЧ. Для этого включить систему ФАПЧ с ИФД1 на выбранной рабочей частоте, установить режим 2-уровневой частотной телеграфии (переключатель РОД РАБОТЫ в положение ЧТ1). Полосу пропускания ФНЧ выбрать равной 1 кГц. Записать значение выбранной рабочей частоты. Увеличить усиление осциллографа и наблюдать на его экране переходные процессы на выходе ИФД, зарисовать их при нескольких значениях KФД (не допуская срыва слежения).

Установить ручку KФД в положение, соответствующее коэффициенту

17

усиления дискретной системы K KV t 1 (режим максимального быстродействия, разделяющий монотонные и колебательные переходные процессы). Положив KV 1 t 1000 , зафиксировать значение KФД . Уменьшить значе-

ние KФД так, чтобы соблюдалось условие теоремы Котельникова ( tн t ).

Измерить время нарастания переходного процесса tн (одной ступеньке соответствует 1 мсек) и зафиксировать новое значение KФД . Уменьшить прежнее значение KV во столько раз, во сколько уменьшилось KФД . Построить лога-

рифмические характеристики эквивалентной непрерывной системы ФАПЧ для уменьшенного значения KV . Определить частоту среза и по ней определить время нарастания переходного процесса. Сопоставить результат с экспериментальным значением.

6. Оценить влияние KДПКД на переходные процессы системы ФАПЧ.

Для этого следует, не меняя положения ручки KФД , увеличивать частоту

выходного сигнала через 10 кГц, наблюдая за формой переходного процесса. Характерные осциллограммы зарисовать.

7. Оценить влияние ФНЧ на переходные процессы системы ФАПЧ. Для этого установить полосу пропускания ФНЧ равной 50 Гц и, изменяя KФД ,

наблюдать за формой переходного процесса. Характерные осциллограммы зарисовать.

Выключить все приборы.

3.3.Содержание отчета

1.Функциональная схема синтезатора частоты (см. п 2. разд. 3.2).

2.Условия и результаты эксперимента по п.3 Задания, в т.ч.:

-значения Fr и uФД ;

-осциллограммы биений на выходе ИФД1.

3.Настроечная характеристика управляемого генератора с указанием линейного участка и рабочей частоты.

4.Условия и результаты эксперимента по п. 5 разд. 3.2 Задания, в т.ч.:

-значение Fr ;

-осциллограммы переходных процессов для нескольких значений KФД ;

-осциллограммы переходных процессов в режиме максимального быстродействия системы;

18

- осциллограммы переходного процесса, соответствующего условию tн t ;

-значение KV ;

-асимптотические логарифмические характеристики системы ФАПЧ с

указанием частоты среза; - сопоставление экспериментального и расчетного значений времени на-

растания переходного процесса.

5.Характерные переходные процессы, иллюстрирующие влияние

KДПКД (см. п. 6 разд. 3.2).

6.Характерные переходные процессы, иллюстрирующие влияние ФНЧ

(см. п. 7 разд. 3.2).

3.4.Контрольные вопросы

1.В чем заключаются особенности системы ФАПЧ, работающей в составе синтезатора частоты?

2.Как влияет делитель с переменным коэффициентом деления на показатели качества системы ФАПЧ?

3.Как меняется форма биений на выходе ИФД1 при захвате частоты?

4.Какими средствами обеспечивается увеличение полосы удержания системы ФАПЧ?

5.Записать разностное уравнение дискретной системы 1-го порядка и указать область допустимых значений для коэффициента усиления.

6.Объяснить влияние ФНЧ на качество переходных процессов системы

ФАПЧ.

4.ИССЛЕДОВАНИЕ САУ С МИНИМИЗАЦИЕЙ ШУМОВОЙ

ОШИБКИ

Цель работы:

1)практическое изучение возможности параметрической оптимизации САУ в установившемся режиме по критерию минимума дисперсии шумовой (флюктуационной) ошибки;

2)приобретение навыков работы с измерительной техникой.

19