Міністерство оБРАЗОВАНИЯ И науки УкраИнЫ
Запорожский национальный технический университет
МетодичЕские указания
к лабораторным работам по дисциплинам:
"Сигналы и процессы в электронике"
для студентов направления подготовки
6.170101 "Безопасность информационных и коммуникационных систем"
и
"Сигналы и процессы в телекоммуникационных системах"
для студентов направления подготовки
6.170102 "Системы технической защиты информации"
всех форм обучения
с использованием программного комплекса Electronics Workbench
2010
Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам: "Сигналы и процессы в электронике" для студентов направления подготовки 6.170101 "Безопасность информационных и коммуникационных систем" и "Сигналы и процессы в телекоммуникационных системах" для студентов направления подготовки 6.170102 "Системы технической защиты информации" всех форм обучения с использованием программного комплекса Electronics Workbench / Сост. С.И.Лизунов, - Запорожье, ЗНТУ, 2010. - 30 с.
Составитель: С.И.Лизунов, к.т.н., доц.
Рецензент: Л.М.Карпуков, д.т.н, проф.
Ответственный за выпуск: С.И.Лизунов, к.т.н., доц.
Утверждено
на заседании кафедры
защиты информации
Протокол № 1
от 07 сентября 2010 года
Содержание
1. Лабораторная работа №1.
Прохождение сигнала через линейные цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Лабораторная работа №2.
Прохождение сигнала через нелинейные цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. Лабораторная работа №3.
Амплитудно-модулированные колебания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4. Лабораторная работа №4.
Детектирование амплитудно-модулированных колебаний. . . . . . . . . . 16
5. Лабораторная работа №5.
Частотно-модулированные колебания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6. Лабораторная работа №6.
Умножение и преобразование частоты сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Прохождение сигнала через линейные цепи
Цель работы: изучить и проанализировать прохождение сигналов через линейные цепи.
Общие положения
Прохождение сигнала через линейную цепь является широко распространённым преобразованием сигнала. Этот процесс часто сопровождается изменением формы сигнала, что эквивалентно потерям информации, содержащейся в нём. Такие изменения связаны с ограниченностью полосы пропускания реальных цепей. В реальных устройствах всегда есть специально установленные или паразитные сопротивления и ёмкости (схема № 1.1), а также разделительные и фильтрующие конденсаторы (схема № 1.2).
Работа линейных цепей определяется двумя видами характеристик – временными и частотными. Между ними существует однозначная зависимость. Так, длительность фронтов импульса на выходе цепи соответствует малым временам, а значит – способности цепи пропускать высокие частоты. И наоборот, величина спада вершины импульса характеризует параметры цепи в области больших времён и определяет полосу пропускания цепи на низких частотах.
Искажения сигнала, происходящие в линейных цепях, называют линейными или частотными. Их особенность в том, что на выходе цепи не появляются дополнительные составляющие в спектре сигнала.
Линейные искажения возникают в двух случаях:
- когда отдельные гармонические составляющие входного сигнала передаются через цепь неодинаково (изменяется их амплитудное соотношение);
- когда фазовые сдвиги, которые приобретают гармонические составляющие сигнала, пройдя через цепь, изменяют свой взаимный сдвиг во времени.
Чтобы цепь в полосе рабочих частот не вносила линейных искажений, её амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) должна быть прямоугольной, а фазочастотная характеристика (ФЧХ) – линейной.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему 1.1, моделирующую паразитные ёмкости и сопротивления в электронных цепях.
Схема 1.1.
2. Установить параметры элементов (N – номер по списку в журнале):
2.1. Генератор меандра (Clok) Е:
- амплитуда сигнала Um = 4N, В;
- частота f = 50N, Гц.
2.2. R = 1 кОм.
2.3. С = 1 / N мкФ.
3. Рассчитать постоянную времени цепи τ = RС.
4. Измерить:
- длительность импульса по уровню 0,5Um ;
- длительность фронта и спада по уровню от 0,1 до 0,9 от Um .
5. Уменьшить величину сопротивления R в два раза и рассчитать новое значение τ.
6. Повторить п.4 для нового значения R.
7. Сравнить и проанализировать полученные результаты.
8. Заменить генератор Е на источник переменного напряжения (AC voltage source) с параметрами N В и 1 кГц.
9. С помощью пунктов меню “Analysis” → “AC freguency” снять амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики цепи для обоих значений сопротивления R в диапазоне частот от N Гц до 2N кГц.
10. Определить полосы пропускания цепи в обоих случаях по уровню -3 дБ (0,707) от Um.
11. Сравнить и проанализировать полученные результаты.
12. С помощью пунктов меню “Analysis” → “Fourier” убедиться в отсутствии высших гармоник в спектре выходного сигнала (на элементе С). Для этого перед началом спектрального анализа в меню “Fourier” установить:
- номер точки выходного узла схемы в окне “Output node” (заранее определяется так: подвести курсор к выходному узлу схемы, нажать правую кнопку мышки, войти в меню “Component properties”, в открывшемся окне “Node ID” прочитать номер узла);
- шаг частоты для анализа, равный частоте генератора ( в нашем случае – 1 кГц) в окне “Fundamental frequency”;
- число гармоник “Number harmonics” равное 9.
13. Собрать схему 1.2, моделирующую влияние разделительных конденсаторов на прохождение сигнала.
Схема 1.2.
14. Установить параметры элементов (N – номер по списку в журнале):
14.1. Генератор меандра (Clok) Е:
- амплитуда сигнала Um = 5N, В;
- частота f = 50N, Гц.
14.2. R1 = 1 кОм , R2 = 2 кОм.
14.3. С1 = 10 / N мкФ, С2 = 1 / N мкФ.
15. Измерить:
- длительность импульса по уровню 0,5Um ;
- длительность фронта и спада по уровню от 0,1 до 0,9 от Um ;
- спад вершины импульса в % от Um .
16. Уменьшить величину ёмкости С1 в два раза.
17. Повторить п.14 для нового значения С1.
18. Сравнить и проанализировать полученные результаты.
19. Заменить генератор Е на источник переменного напряжения (AC voltage source) с параметрами 0.5N В и 1 кГц.
20. С помощью пунктов меню “Analysis” → “AC freguency” снять амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики цепи для обоих значений ёмкости С1 в диапазоне частот от N Гц до 2N кГц.
21. Определить полосу пропускания цепи по уровню -3 дБ (0,707) для обоих значений ёмкости С1.
22. Сравнить и проанализировать полученные результаты.
23. С помощью пунктов меню “Analysis” → “Fourier” убедиться в отсутствии высших гармоник в спектре выходного сигнала (на элементе R2). Для этого перед началом спектрального анализа в меню “Fourier” установить:
- номер точки выходного узла схемы в окне “Output node” (заранее определяется так: подвести курсор к выходному узлу схемы, нажать правую кнопку мышки, войти в меню “Component properties”, в открывшемся окне “Node ID” прочитать номер узла);
- шаг частоты для анализа, равный частоте генератора ( в нашем случае – 1 кГц) в окне “Fundamental frequency”;
- число гармоник “Number harmonics” равное 9.
Содержание отчёта
1. Анализируемые схемы.
2. Результаты вычислений и измерений.
3. Формы выходных сигналов (импульсов).
4. Графики полученных характеристик.
5. Результаты проведенного анализа и выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Объясните форму импульса на конденсаторе С схемы 1.1.
2. Какова будет форма импульса напряжения на сопротивлении R схемы 1.1?
3. Как влияют параметры элементов схемы 1.1 на форму выходного импульса?
4. Как измерить длительность фронта и спада импульса с помощью осциллографа?
5. Объясните полученные АЧХ и ФЧХ схемы 1.1.
6. Что такое полоса пропускания? Как её измерить? Как влияют параметры цепи на полосу пропускания?
7. Объясните форму импульса на конденсаторе С2 схемы 1.2.
8. Как влияют параметры элементов схемы 1.2 на форму выходного импульса?
9. Объясните полученные АЧХ и ФЧХ схемы 1.2.
10. Какая связь между временными и частотными характеристиками исследуемых цепей?
11. Что такое линейные (частотные) искажения сигнала?
12. Какими должны быть АЧХ и ФЧХ цепей для передачи сигнала без искажений?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2