Министерство высшего и среднего специального образования

СССР

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени

высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана

Методические указания к лабораторным работам

по курсу

«ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ»

Составили А.К. Ефремов

А.В. Орловский

Под редакцией И.П. Кунаева

Москва

Данные методические указания к лабораторным работам

по курсу «Основы радиотехники» издаются в соответствии

с учебным планом.

Рассмотрены и утверждены кафедрой М-5 19/IY-72 г.,

Методической комиссией факультета М 15/У-72 г. и Учебно-

методическим управлением.

ВВЕДЕНИЕ

Радиотехника относится к числу наиболее бурно развивающихся направлений современной техники. Радиотехнические методы широко проникают во все отрасли народного хозяйства, используются при научных исследованиях, служат основой для построения сложных систем управления. Характерной особенностью радиотехнических систем является то, что они служат для передачи той или иной информации; в этом заключается отличие радиотехники от электротехники, где объектом передачи является энергия. Однако в обоих случаях имеют место преобразования электрических сигналов, что обусловливает возможность создания единого математического аппарата исследования.

Традиционное содержание радиотехники в настоящее время в значительной мере расширилось в связи с тем, что решение многих инженерных задач уже невозможно без учета случайности реальных радиотехнических сигналов и процессов. Сформировались такие новые направления, как теория помехоустойчивости и теория оптимального радиоприема, в радиотехнике находят применение положения теории информации и методов технической кибернетики. Эти вопросы определяют содержание статистической радиотехники.

Данный лабораторный практикум рассчитан на студентов специальности 0575 и по своему содержанию соответствует курсу «Основы радиотехники». Практикум ставит своей целью ознакомить студентов с физической сущностью основных радиотехнических процессов, проиллюстрировать смысл основных положений теории линейных и нелинейных систем, способствовать овладению практическими навыками, необходимыми для проведения экспериментальных исследований. Большое внимание при этом уделено частотному методу как одному из фундаментальных в радиотехнике.

Практикум рассчитан на 34 академических часа и состоит из 8 работ, описание которых приведено ниже. Предусматривается, что каждой работе предшествует ознакомление с ее теоретическими предпосылками; при этом студенты руководствуются курсом лекций, а также рекомендуемой литературой. Отчет о выполненной лабораторной работе обязательно сопровождается необходимыми теоретическими пояснениями.

РАБОТА № 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ

ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.

Частотный метод исследования является одним из фундаментальных в радиотехнике, где широко используются резонансные свойства колебательных систем.

Основным понятием в частотном методе является обобщенный гармонический сигнал. Любой сигнал, в том числе и случайный, может быть разложен на гармонические составляющие. Зависимости параметров отдельных составляющих (амплитуды и фазы) от частоты называют спектрами. Различают дискретные (линейчатые) и сплошные спектры. Дискретными спектрами характеризуют периодические сигналы, а также случайные стационарные сигналы при конечной длительности реализаций (в последнем случае имеет место спектр дисперсий). Сплошными спектрами обладают непериодические сигналы, а также случайные при неограниченном времени наблюдения.

В данной работе исследуются спектральные характеристики периодических сигналов S(t), основное свойство которых формулируется так: S(t)=S (t + nT), где T – период, а n =1,2,3…

Известно, что сигнал может быть представлен в виде разложения (ряда Фурье)

,

где - комплексная амплитуда k-й гармоники,

- вещественная амплитуда k-й гармоники,

- фазовый сдвиг k-й гармоники,

- частота k-й гармоники,

- частота первой (основной) гармоники.

Зависимости С_к(w) и φ_k(w) носят название амплитудного и фазового спектров, которые, очевидно, являются дискретными.

Если T → ∞ , то в результате предельного перехода получаем непериодический сигнал, который характеризуют следующей парой преобразований Фурье:

;

Здесь F(jw) – функция, имеющая смысл спектральной плотности комплексных амплитуд элементарных гармонических составляющих, т.е.

При одинаковой форме периодического (в пределах одного периода) и непериодического сигналов имеет место соотношение

или

Это соотношение отражает тот важный для практики факт, что огибающая дискретного спектра представляет собой (в определенном масштабе) сплошной спектр непериодического сигнала. Эта взаимосвязь широко используется при экспериментальном определении Ф(w).

Знание спектральных характеристик сигналов необходимо при исследовании их прохождения через радиотехнические системы и их элементы; для чего необходимо иметь данные об их частотных характеристиках, объединяемых в комплексном коэффициенте передачи.

Ширину спектров сигналов, которые теоретически бесконечны, ограничивает ширина полосы пропускания системы, в пределах которой должна быть сосредоточена подавляющая доля энергии или средней мощности сигнала (не менее 90%).

Содержание работы

Изучение теоретических основ спектрального представления детерминированных процессов.

Ознакомление с аппаратурой для снятия спектральных характеристик сигналов.

Ознакомление с аппаратурой и коммутирующим блоком получения исследуемых сигналов.

Ознакомление с порядком проведения работы.

Снятие спектров исследуемых сигналов.

Ответы на вопросы. Выводы по проделанной работе.

Необходимые инструменты и приборы.

Звуковой генератор Г3-34.

Генератор импульсных сигналов Г5-6А.

Осциллограф С1-19 (С1-5).

Анализатор спектра и частотных характеристик АСЧХ-1.

Коммутирующий блок.

Порядок выполнения работы.

Перед началом работы ознакомиться с описанием приборов.

Собрать установку по блок-схеме, приведенной на рис.1.

Приборы подключаются к соответствующим гнездам коммутирующего блока.

На входы осциллографа и анализатора спектра АСЧХ подаются

а) в положении 1 переключателя П₁ – синусоидальное колебание с звукового генератора;

б) в положении 2 переключателя П₁ – импульсы в виде полуволны косинусоиды, сформированные цепочкой D₁R₁ , сигнал поступает с ЗГ;

в) в положении 3 переключателя П₁ – трапецеидальные импульсы, сформированные цепочкой R₂D₂D₃R₃ , сигнал поступает с ЗГ;

г) в положении 4 переключателя П₁ - прямоугольные импульсы, сигнал поступает с генератора прямоугольных импульсов;

д) в положении 5 переключателя П₁ - импульсы по форме, близкие к треугольным, сигнал поступает с генератора прямоугольных импульсов.

Включить приборы, настроить АСЧХ и снять спектры сигналов.

1. Переключатель П₁ поставить в положение 1. На звуковом генераторе выставить амплитуду сигнала U_эф = 5В. Частоту изменять от f = 1000 Гц до f = 5000 Гц. Сигнал контролировать по осциллографу. На АСЧХ получить спектр сигнала. Зарисовать форму сигнала и спектр. Наблюдения записать.

2. Переключатель П₁ поставить в положение 2. На звуковом генераторе выставить амплитуду сигнала U_эф = 5В. Частоту изменять от f = 500 Гц до f = 2000 Гц. Сигнал контролировать по осциллографу. На АСЧХ получить спектр сигнала. Зарисовать форму сигнала и спектр. Наблюдения записать.

3. Переключатель П₁ поставить в положение 3. На звуковом генераторе выставить частоту f=500 Гц. Амплитуду сигнала изменять от U_эф = 10 В до U_эф = 25 В. Сигнал контролировать по осциллографу. На АСЧХ получить спектр сигнала. Зарисовать форму сигнала и спектр. Наблюдения записать.

4. Переключатель П₁ поставить в положение 4. На генераторе импульсных сигналов выставить амплитуду импульсов положительной полярности на выходе 500 Ом U_эф = 15 В. Установить частоту повторения импульсов f = 100 Гц. Длительность импульсов изменять от τ = 0,5*10^-3 с до τ = 1,5*10^-3 с.

При длительности импульсов τ = 1,5*10^-3 с изменять частоту повторения от f = 50 Гц до f=300 Гц. Сигнал контролировать по осциллографу. Зарисовать форму сигнала и спектр. Наблюдения записать.

5. Переключатель П₁ поставить в положение 5. На генераторе импульсных сигналов выставить амплитуду сигналов U_эф = 30 В, частоту повторения импульсов f = 50 Гц. Длительность импульсов изменять от τ = 0,5*10^-3 с до τ = 3*10^-3 с. Сигнал контролировать по осциллографу. Зарисовать форму сигнала и спектр. Наблюдения записать.

Контрольные вопросы.

1. Как изменяется спектр прямоугольного импульса при изменении частоты повторения и постоянной длительности?

2. Чем отличаются спектры треугольного и прямоугольного импульсов при длительностях много меньших периода повторения τ << T ?

3. Как изменяется спектр сигнала периодического и непериодического сигнала при изменении его длительности в n раз?

Работа №2. Экспериментальное исследование спектральных характеристик ам - сигналов.

Модуляция – одно из важнейших преобразований в радиотехнике – сводится к тому, что некоторые параметры носителя информации меняются в соответствии с законом передаваемого сообщения. В качестве носителя используют или высокочастотные гармонические колебания, или периодическую последовательность импульсов, в соответствии с этим различают непрерывную и импульсную модуляцию.

При непрерывной модуляции варьируют один из трех параметров гармонического колебания:

,

т.е. модулированное колебание имеет вид:

В последнем случае (угловая модуляция) основными являются соотношения, связывающие мгновенные значения фазового угла и угловой частоты

свидетельствующие о неразделимости частотной и фазовой модуляции. При амплитудной модуляции (АМ) имеем

Где приращение амплитуды пропорционально закону модулирующего сигнала, т.е. В частности если (тональная модуляция), то и , где - коэффициент глубины модуляции. В этом случае ( принято равным нулю)

т.е. модулированный сигнал содержит три гармонические составляющие: несущей частоты и две боковые с частотами . Следует иметь в виду, что такой сигнал, обладая дискретным спектром, в то же время в общем случае не является периодическим. Если

то

где - парциальные коэффициенты глубины модуляции.

Видно, что при этом около составляющей несущей частоты формируются две симметричные боковые полосы с частотами и . Отсюда ясен спектральный смысл модуляции, заключающийся в том, что спектр модулирующего сигнала смещается в область высоких частот (на величину ). Это и дает возможность передать его на значительное расстояние. Условие неискаженной передачи сообщения, т.е. отсутствия перемодуляции, имеет вид .

Содержание работы

Изучение теоретических основ спектрального представления амплитудно-модулированных сигналов и ознакомление с аппаратурой, необходимой для исследования спектральных характеристик сигналов.

Необходимые инструменты и приборы

Макет лабораторной работы.

Звуковые генераторы ГЗ-34 (ГЗ-33) и ГЗ-36.

Анализатор спектра и частотных характеристик СК4-3.

Вольтметр В3-13.

Осциллограф С1-5.

Краткое описание макета

Макет лабораторной работы содержит модулятор и блок питания. Схема модулятора представляет собой ламповый каскад с экранной модуляцией. Схема модулятора приведена на рис.2. Сигнал несущей частоты подается в цепь управляющей сети лампы типа 6Ж5Б. Сигнал частоты модуляции подается в цепь питания экранной сетки. Нагрузкой лампы служит колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L и одной из емкостей С1, С2, С3.

При выполнении работы производится определение амплитуд и частот спектральных составляющих АМ - сигнала и коэффициента модуляции.

Частоты гармонических составляющих определяются путем калибровки АСЧХ-1. Амплитуды гармонических составляющих определяются по отношению к величине амплитуды основной гармоники по сетке на экране АСЧХ-1. Коэффициент модуляции рассчитывается по формуле

где - амплитуды боковой составляющей АМ – сигнала на спектрограмме, мм;

- амплитуда основной составляющей (несущей) в спектре АМ – сигнала, мм.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с правилами эксплуатации приборов.

2. Подсоединить к клеммам “вход модуляция” генератор типа ГЗ-36, а к клеммам “вход несущая” – генератор типа ГЗ-34 (ГЗ-33). К выходу макета подключить АСЧХ-1 и вольтметр типа ВЗ-13.

3. Включить приборы и макеты в сеть. После прогрева приборов настроить АСЧХ-1 и вольтметр.

4. Исследовать характеристики АМ – сигнала, для чего:

а) Поставить переключатель емкости в положение, указанное преподавателем.

б) Подать от генератора несущей частоты (ГЗ-34) сигнал амплитудой 30 мВ (выходное сопротивление генератора 50 Ом). Изменяя частоту генератора, определить резонансную частоту контура по максимуму показаний вольтметра.

в) Подать сигнал модуляции на схему, выбрав частоту сигнала модуляции на порядок ниже несущей. Амплитуду сигнала модуляции выбрать такой, чтобы не было перемодуляции.

г) Просмотреть спектр сигнала на экране АСЧХ-1. Исследовать влияние амплитуды несущей и сигнала модуляции на вид спектральных характеристик. Зарисовать в отчет полученные спектрограммы.

д) Определить коэффициенты модуляции сигнала и боковые частоты спектра.

Выбрать частоту модуляции в пределах 0-1-0,5 от несущей. По вольтметру проверить, наблюдается ли на несущей частоте резонанс в контуре. Пользуясь осциллографом, проверить отсутствие нелинейных искажений модулированного сигнала. Если составляющие сигнала несколько искажены, слегка уменьшить сигнал на выходе генераторов несущей и модуляции. Замерить на сетке осциллографа величину основной и двух боковых составляющих. По формуле

определить коэффициент модуляции m.

Заметить по сети АСЧХ-1 положение гармонических составляющих выходного сигнала.

Далее, отключив вход АСЧХ-1 от макета, подсоединить его к клеммам “вход несущая “ макета. В этом случае на вход анализатора будет подаваться сигнал от генератора несущей. Изменяя коэффициент деления входного делителя АСЧХ-1 (ручкой “делитель”), добиться появления сигнала величиной 3-10 мм на экране АСЧХ-1. Изменяя частоту генератора, сместить метку в положение, где ранее находилась одна из гармонических составляющих модулированного сигнала. Частота генератора в этом случае будет равна частоте составляющей сигнала. Замерив таким образом частоты всех составляющих, убедиться, что боковые частоты отстоят от основной на величину частоты модуляции. Результаты измерений занести в отчет.