Лекции_РЭС / Лекция Методы анализа линейных цепей

9

Лекция «Методы анализа линейных цепей»

Линейные цепи состоят из пассивных и активных элементов, параметры которых не зависят от протекающих в них токов и приложенных к ним напряжений. Все электрические цепи, состоящие из сопротивлений, емкостей, индуктивностей и соединительных проводов, линейны.

C вязь между входным U_ВХ(t) = U_ВХ и выходным U_ВЫХ(t) = U_ВЫХ сигналами устанавливают с помощью дифференциального уравнения

Если цепь (далее часто четырехполюсник) линейна, то все коэффициенты

а₀, a₁,..., a_n и b₀, b₁,..., b_m — постоянные вещественные числа.

Е сли U_ВХ(t) задан, то правая часть уравнения , которую условно обозначим через i_ВХ(t), является известной функцией. Анализ отклика линейной цепи на известное входное воздействие сводится при этом к известной в математике задаче решения линейного дифференциального уравнения n-го порядка с постоянными коэффициентами.

Порядок n этого уравнения в радиотехнике принято называть порядком линейной цепи (системы).

К линейным цепям (системам) применим принцип суперпозиции: выходной сигнал линейной цепи на суммарное воздействие нескольких входных источников равен алгебраической сумме откликов на воздействие (входной сигнал) каждого источника в отдельности.

где В — линейный оператор, характеризующий вид воздействия линейной цепи на входной сигнал.

Линейным системам свойственна еще и однородность (гомогенность), т. е. отклик системы на входной сигнал, усиленный в определенное число раз, будет усилен в то же число раз.

При анализе процессов в электрических цепях необходимо определить отклик цепи на входной сигнал в виде сигнала заданной формы. Отклик выражают в значениях напряжений u(t) и токов i(t) в разные моменты времени. При анализе воздействия сигналов на сложные по структуре цепи применяют следующие методы анализа:

• классический;

• частотный (спектральный);

• операторный;

• метод интеграла наложения.

Классический метод основан на составлении и решении дифференциальных уравнений и наиболее удобен для анализа прохождения импульсных сигналов через линейные цепи. Метод прост, нагляден, хорошо отражает физическую суть процессов. Очень сложен при анализе процессов и цепей выше третьего порядка. В этом случае удобнее применять спектральный и операторный методы или метод интеграла наложения.

Частотный (спектральный) метод. Оперирует с помощью параметра К(ω)- частотный коэффициент передачи.

В комплексном виде

Частотный коэффициент передачи (или просто коэффициент передачи)

Модуль коэффициента передачи К(ω) = |К(ω)| называют амплитудно- частотной характеристикой (АЧХ), а аргумент φ(ω) — фазочастотной характеристикой (ФЧХ).

Полоса пропускания (рабочая полоса) — области частот, где модуль коэффициента передачи К(ω) становится не менее 1/(2)^0,5 своего максимального значения. На границах полосы пропускания модуль коэффициента передачи по мощности, равный отношению выходной и входной мощностей, уменьшается в два раза.

Ширина полосы пропускания

∆ω = ω_В - ω_Н.

Для циклической частоты

Е сли на вход линейной цепи подается гармонический сигнал единичной амплитуды, имеющий комплексную аналитическую модель вида U_ВХ(t) = е^jωt, то сигнал на ее выходе запишется как U_ВЫХ(t) = К(ω) е^jωt . Подставляя эти выражения в (1), после несложных преобразований запишем К(ω) в форме дифференциального уравнения

Т .е. если коэффициенты постоянные то К(ω) представляет собой дробно-рациональную функцию переменной jω. При этом коэффициенты этой функции совпадают с коэффициентами дифференциального уравнения. С помощью частотного коэффициента передачи К(ω) можно определить сигнал на выходе линейного четырехполюсника. Пусть на входе линейного четырехполюсника с частотным коэффициентом передачи К(ω) действует непрерывный сигнал произвольной формы в виде напряжения U_BX(t). Применив прямое преобразование Фурье

определим спектральную плотность входного сигнала S_ВХ(ω). Тогда спектральная плотность сигнала на выходе линейного четырехполюсника

П роведя обратное преобразование Фурье

от спектральной плотности, получим выходной сигнал

Операторный метод основан на замене оператора дифференцирования d/dt комплексным параметром р, который переводит анализ сигналов из временной области в область комплексных величин. Рассмотрим некоторый комплексный или вещественный аналоговый сигнал u(t), определенный при t≥0 и равный нулю в момент времени t =0. Преобразование Лапласа этого сигнала есть функция комплексной переменной р, выраженная интегралом

u(t) называют оригиналом, а функцию U(p) его изображением

Для примера определим изображение функции включения σ(t)=1(t)

Учитывая

Получим

Преобразование Лапласа обладает линейными свойствами, т.е.

О братное преобразование Лапласа

где а₁ — вещественная переменная, отражаемая на комплексной плоскости.

Осуществив преобразование Лапласа обеих частей дифференциального уравнения (1), получим

Передаточной функцией (операторным коэффициентом передачи) линейной цепи называется .

Где через Q(p) обозначают сомножитель перед U_ВЫХ(р) называя собственным оператором системы, а сомножитель перед U_ВХ(р) — через R(p) и называют оператором воздействия.

Передаточная функция К(р) отражает результат аналитического переноса комплексного частотного коэффициента передачи К(ω) с мнимой осную на всю область комплексных частот р=α+jω.

Если известна передаточная функция К(р), то выходную реакцию электрической цепи на заданное входное воздействие U_ВХ(t) можно определить по следующей схеме:

• записать изображение входного сигнала U_ВХ(t) -> U_ВХ(р);

• найти изображение выходного сигнала U_ВЫХ(р) = K(p)* U_ВХ(р);

• вычислить выходной сигнал U_ВЫХ(р) -> U_ВЫХ(t).

Метод интеграла наложения. Cвойства линейных четырехполюсников часто проще оценить видом их отклика на воздействие ряда элементарных сигналов. В качестве элементарных сигналов используются

• прямоугольные импульсы, длительностью ∆, в пределе стремящиеся к дельта-функции δ(t);

• ступенчатые функции, возникающие в виде функций включения σ(t) через равные промежутки времени ∆. Высота каждой ступеньки равна приращению сигнала на интервале времени ∆.

Дельта-функция и функция включения связаны между собой аналитически. Результатом дифференцирования единичной функции является дельта-функция

Импульсная характеристики линейной цепи h(t) - реакцию системы на поданную на вход дельта-функцию δ(t).

П ереходная характеристика g(t) - отклик линейной цепи на единичную функцию σ(t). Пример

Характеристики линейной цепи.

а — различные виды импульсных; б — переходная

Если входной и выходной сигналы линейной цепи имеют одинаковую размерность, то импульсная характеристика, как и дельта-функция времени, имеет размерность частоты.

а - входной сигнал- прямоугольных импульсов

б - отклики на импульсы и выходной сигнал

а - входной сигнал- прямоугольных импульсов

б - отклики на импульсы и выходной сигнал

Положим, что требуется определить выходной сигнал U_ВЫХ(t). Известны ее импульсная характеристика h(t) и входной сигнал U_ВХ(t). Заменим приближенно кривую входного сигнала U_ВХ(t)ступенчатой линией в виде совокупности достаточно коротких прямоугольных импульсов, имеющих одинаковую длительность ∆τ. Если выбрать длительность ∆τ бесконечно малой, то отклик линейной цепи на первый по счету прямоугольный импульс будет приближенно равен отклику той же цепи на дельта- функцию (а это будет импульсная характеристика), умноженному на площадь (U_ВХ(0) ∆τ) первого импульса, т. е. U_ВХ(0) ∆τ h(t) Откликом цепи на второй импульс является произведение U_ВХ(∆τ) ∆τ h(t- ∆τ) , где U_ВХ(∆τ) ∆ τ — площадь этого импульса, а величина h(t- ∆τ) — импульсная характеристика цепи, соответствующая моменту времени t = ∆τ. Следовательно, для некоторого произвольного момента времени t = n ∆τ (n — число условно сформированных импульсов,

п риходящихся на интервал времени O...t) отклик линейной цепи приближенно выразится суммой

Е сли длительность импульсов ∆τ, отражающих входной сигнал, последовательно приближается к нулю, то малое приращение времени ∆τ превращается в dτ, а операция суммирования трансформируется в операцию интегрирования по переменной τ= k ∆τ

В более общей форме

В теории электрических цепей часто применяют другую, эквивалентную форму интеграла Дюамеля