28

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса

(ЮРГУЭС)

Е.И.Старченко

РАДИОАВТОМАТИКА

Исследование элементов и узлов радиоавтоматики

при моделировании на ПЭВМ

Лабораторный практикум

ШАХТЫ

2005

УДК681.5(076.5)

ББК 32.96-04я73

С 774

Автор:

к.т.н., профессор кафедры «Информационные системы и радиотехника»

Е.И. Старченко

Рецензент:

д.т.н., зав кафедрой «Математика, информационные

системы и технологии»

А.М. Безуглов

С 774 Старченко Е.И. Исследование элементов и узлов радиоавтоматики при моделировании на ПЭВМ: Лабораторный практикум по дисциплине «Радиоавтоматика»/Е.И.Старченко. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005. – 27с.

Лабораторный практикум содержит описание и порядок выполнения лабораторных работ по дисциплине «Радиоавтоматика». Лабораторные работы выполняются на ПЭВМ и предполагают предварительное знакомство студентов с пакетом схемотехнического моделирования типа PSpice.

В лабораторных работах исследуются элементы систем автоматического регулирования, типовые динамические звенья, точность систем автоматического регулирования.

Пособие предназначено для студентов направления 654200 «Радиотехника», специальностей 200700 «Радиотехника» и 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура».

УДК681.5(076.5)

ББК 32.96-04я73

© Южно-Российский государственный

университет экономики и сервиса, 2005

© Е.И.Старченко

Оглавление

Введение………………………………………………………………………….4

1 Лабораторная работа №1. Исследование элементов систем

радиоавтоматики......................................................................................5

2 Лабораторная работа №2. Исследование характеристик

типовых динамических звеньев……………………………………….12

3 Лабораторная работа №3. Исследование переходных процессов типовых динамических звеньев…………………………...19

4 Лабораторная работа № 4. Исследование точности системы

автоматического регулирования………………………………………22

Библиографический список……………………………………………………..26

Введение

Лабораторные работы по дисциплине «Радиоавтоматика» могут быть выполнены с помощью моделирующих программ анализа аналоговых схем типа PSpice (PSpice 5, DesignLab 8 и более старших версий этих программ) [2, 3]. В частности, для программы PSpice 5 необходимо составить описание исследуемой схемы на входном языке [2], а для программы типа DesignLab [3] - в диалоговом режиме собрать электронную схему на экране монитора и подвергнуть ее одному из видов анализа:

- AC Sweep – расчет характеристик линеаризованной схемы в частотной области и уровня шума;

- DC Sweep – расчет режима по постоянному току при вариации напряжения, тока и (или) температуры;

- Transient - расчет переходных процессов и спектральный Фурье-анализ.

Результаты анализа представляются в графическом и табличном виде, могут быть выведены на принтер или плоттер и т. д.

Методические указания содержат четыре лабораторных работы, в которых изучаются и исследуются элементы систем автоматического регулирования (САР): типовые динамические звенья на основе соответствующим образом скорректированных операционных усилителей, исследуются их амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, а также переходные процессы; на основе стабилизатора напряжения исследуется статическая точность САР по задающему и возмущающим воздействиям.

Каждая лабораторная работа содержит краткие теоретические сведения, а также некоторые контрольные вопросы, ответы на которые помогут глубже усвоит изучаемый материал.

Лабораторная работа №1 Исследование элементов систем радиоавтоматики

Цель работы. Ознакомление с принципом построения, способами математического исследования и машинного моделирования автоматических систем, изучение объектов управления (генератор, управляемый напряжением), элементов сравнения (фазовый дискриминатор), экспериментальное исследование на ПЭВМ статических характеристик перечисленных элементов, определение параметров их передаточных функций.

1. Основные теоретические положения

1.1. Принципы построения и классификация систем радиоавтоматики

Обобщенная структурная схема автоматической системы приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема системы автоматического управления

На рис. 1.1. ОУпр - объект управления (в частности, генератор, управляемый напряжением (ГУН): Р - регулятор; Д - дискриминатор (в частности, фазовый детектор).

В системах радиоавтоматики задающими воздействиями и управляемыми величинами могут быть различные параметры: амплитуда напряжения или тока; частота; фаза колебаний; скорость вращения ротора электродвигателя и др. Соответственно, объектами управления могут быть устройства, обеспечивающие возможность изменения вышеперечисленных параметров: управляемые усилители, управляемые генераторы, электродвигатели и т.п.

Дискриминатор (устройство сравнения) выделяет ошибку, т.е. отклонение управляемого параметра от задающего воздействия e(t).

Регулятор преобразует ошибку в управляющее воздействие, которое изменяет управляемую величину так, чтобы минимизировать ошибку e(t). Иногда дискриминатор и регулятор представляют собой единое целое (например, операционный усилитель в стабилизаторе напряжения).

Рассматриваемая система является замкнутой, она реализует основной принцип автоматического управления - управление по отклонению. Иногда используется другой принцип - управление по задающему (либо возмущающему) воздействию. Такая система отличается отсутствием дискриминатора и контура обратной связи. Это разомкнутые системы, их недостаток - невысокая точность. Существуют такие системы, реализующие комбинированный принцип управления - по отклонению и по возмущению.

Автоматические системы классифицируют по различным признакам:

• по классу математической модели: линейные и нелинейные; непрерывные и дискретные, в том числе цифровые; с сосредоточенными и распределенными параметрами и т.п.;

• по характеру изменения задающего воздействия: системы стабилизации; следящий системы; системы с программным управлением;

• по точности в установившемся режиме: статические и астатические;

• по назначению: системы автоподстройки частоты (АПЧ); автоматического регулирования усиления (АРУ): стабилизации (напряжения, тока, числа оборотов электродвигателя); системы слежения (радиолокационные системы) и др.

1.2. Объекты управления

Объекты управления обладают статической (регулировочной) характеристикой - зависимостью управляемой величины от управляющего воздействия. Динамические свойства линейного объекта полностью характеризуются параметрами его передаточной функции.

Физические принципы, лежащие в основе построения управляемых усилителей, генераторов и им подобных устройств весьма разнообразны - они детально изучаются в соответствующих дисциплинах.

В частности, ГУН, применяемый в системе синхронизации строчной частоты телевизионного приемника, построен на принципе заряда и разряда конденсатора от источника стабильного токе, ток которого может меняться в зависимости от управляющего воздействия, а про­цессами заряда и разряда конденсатора управляет гистерезисный компаратор (рис. 1.2.) [5].

Рис.1.2. Генератор, управляемый напряжением

Работает такой генератор следующим образом. При включении напряжения питания Е_П в первый момент времени конденсатор С1 разряжен, напряжение на инвертирующем входе компаратора DA1 больше, чем на неинвертирующем, поэтому транзисторы VT3 и VT4 заперты. Начинается заряд конденсатора С1 от управляемого источника тока на транзисторах VT1 и VT2. Когда напряжение на конденсаторе достигнет верхнего порога переключения U_ВП, компаратор переходит в состояние с высоким логическим уровнем на выходе. Транзисторы VT3 и VT4 открываются. Через транзистор VT3 начинается интенсивный разряд конденсатора С1, а открытый и насыщенный транзистор VT4 закорачивает резистор R3. Напряжение на инвертирующем входе компаратора снижается до нижнего порога переключения U_НП. Когда в процессе разряда конденсатора напряжение на нем достигает U_НП, выход компаратора вновь переходит в состояние с низким логическим уровнем, транзисторы VT3 и VT4 вновь оказываются заперты, напряжение на инвертирующем входе компаратора возрастает до U_ВП и процесс заряда конденсатора повторяется.

Период колебаний такого генератора определяется, практически, временем заряда конденсатора С1 от напряжения нижнего порога переключения до напряжения верхнего порога переключения компаратора.

Верхний порог переключения формируется, когда выход компаратора находятся в состоянии с низким логическим уровнем (транзисторы VT3 и VT4 закрыты), нижний порог переключения формируется при высоком логическом уровне на выходе компаратора (транзисторы VT3 и VT4 открыты, резистор R₃ закорочен).

Следовательно, для времени заряда конденсатора можно записать:

,

где I₃ - ток коллектора транзистора VT4.

С другой стороны,

;

;

,

где Е - напряжение источника питания; U_БЭ - напряжение база-эмиттер транзистора VT4: U_УПР - управляющее напряжение.

С учетом того, что время разряда конденсатора С1 много меньше времени его заряда (конденсатор форсированно разражается через открытый транзистор VT3, период колебаний генератора Т  t_З. Кроме того, если положить R₁ = R₂ = R₃, можно утверждать, что частота колебаний такого генератора

.

Передаточная функция ГУН в первом приближении имеет вид:

.

Таким образом, управление частотой колебание генератора достигается изменением зарядного тока под действием управляющего напряжения U_УПР, а регулировочная характеристика генератора, т.е. зависимость частоты от управляющего напряжения близка к линейной (рис.1.3)

Рис. 1.3. Регулировочная характеристика ГУН

1.3. Дискриминаторы

Дискриминатор преобразует отклонение управляемого параметра от задающего воздействия в другую физическую величину, удобную для усиления, например, в напряжение постоянного тока. Обычно статическая характеристика дискриминатора линейна лишь на ограниченном участке, динамические свойства дискриминатора в пределах этого участка обычно описываются в форме передаточной функции.

Один из вариантов частотного дискриминатора (ЧД), достаточно часто используемых в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, приведен на рис. 1.4.

Рис 1.4. Функциональная схема частотного дискриминатора (а), АЧХ

фильтров и дискриминационная характеристика ЧД.

Дискриминационная характеристика ЧД формируется вычитанием напряжений на выходе фильтров Ф1 и Ф2 и имеет вид s-образной кривой (рис. 1.4.б).

На линейном участке дискриминационной характеристики (в окрестности частоты f₀) передаточная функция ЧД может быть записана в виде:

,

где U_ЧД(р) и f(р) - операторные изображения приращений входной и выходной величин; S_ЧД [В/Гц]– крутизна дискриминационной характеристики; Т₁ и Т₂ – постоянные времени, учитывающие инерционности процессов установления колебаний в фильтрах, а также сглаживающие свойства выпрямителя и интегрирующего фильтра.

Фазовый дискриминатор (ФД) преобразует фазовый сдвиг между двумя напряжениями (одной частоты) в постоянное напряжение.

Фазовые дискриминаторы можно строить различным образом: на аналоговых перемножителях, на логических элементах типа "исключающее или", операционных усилителях и т.д. [6]. В конечном счете, работа любого ФД основана на перемножении двух сигналов, в результате чего появляется вторая гармоника основной частоты и постоянная составляющая, пропорциональная косинусу разности фаз между сигналами.

Принцип действия ФД, выполненного на основе операционного усилителя (рис. 1.5),.основан на том, что в зависимости от состояния транзистора VT1 операционный усилитель (ОУ) меняет знак коэффициента передачи. Действительно, если положить R₁ = R₂, то при закрытом транзисторе VT1 коэффициент передачи ОУ , а при открытом и насыщенном транзисторе VT1- . (Этот результат можно получить самостоятельно в качестве упражнения, используя принцип суперпозиции).

Рис. 1.5. Фазовый дискриминатор на основе операционного усилителя

Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип действия ФД приведены на рис. 1.6., в предположении, что амплитуда напряжения u₂ столь велика, что транзистор VT1 работает в ключевом режиме.

Передаточная функция ФД на линейном участке (0<φ<π) может быть записана в виде:

,

где Т_ФД = С₁R₄ – постоянная времени интегрирующей цепи ФД;

– крутизна дискриминационной характеристики;

U_MAX, U_MIN – соответственно максимальное и минимальное напряжение дискриминационной характеристики (рис. 1.7).

Рис. 1.6. Диаграммы работы ФД Рис. 1.7. Дискриминационная характеристика ФД

Известно также, что разность фаз колебаний связана с разностью частот интегральным соотношением:

,

или в операторной форме

,

где Δφ(р) – разность частот сигналов, воздействующих на ФД.

Поэтому, передаточная функция ФД по частоте имеет вид:

.

2. Порядок выполнения работы.

2.1. Снятие дискриминационной характеристики фазового дискриминатора

2.1.1. Собрать схему фазового дискриминатора, приведенную на рис. 1.5 (или вызвать готовую схему из файла на диске). До начала выполнения лабораторной работы выбрать постоянную времени Т_ФД при частоте сигнала f = 1 кГц.

2.1.2. Задать параметры элементов, амплитуды напряжений генераторов и начальную фазу одного из них, например U₂. Амплитуду u₁ установить 1÷2 В, а u₂ = 50÷100 В.

2.1.3. Выбрать точки для контроля напряжений (рекомендуемые точки u₁, u₂, u_ФД, U_ФД, U_БЭ, рис. 1.5).

2.1.4. Выбрать масштаб графиков для наблюдения напряжений.

2.1.5. Изменяя фазовый сдвиг в генераторе u₂ от 0 до 180 градусов, регистрировать напряжение U_ФД, записывая результаты в таблицу. По результатам измерений построить дискриминационную характеристику ФД. Вычислить крутизну этой характеристики в окрестности нуля.

2.2. Снятие регулировочной характеристики ГУН

2.2.1. Собрать схему ГУН, приведенную на рис 1.2. В качестве компаратора используйте модель компаратора К521СА3, включив его в соответствии с рекомендациями при однополярном питании [7]. До начала выполнения лабораторной работы выбрать параметры резисторов и конденсатора, исходя из того, что частота колебаний ГУН должна быть в пределах 10 … 20 кГц, начальный ток I_З – 0,1 … 1 мА, ток через резисторы R1, R2, R3 – 0,5 … 1 мА.

Указание. Источник питания Е_П должен быть описан как кусочно-линейный (PWL, [2, 3]), имитирующий скачкообразную подачу напряжения питания при включении генератора, что необходимо для запуска генератора.

2.2.2. Выбрать точки для контроля напряжения (рекомендуемые точки – выход компаратора и потенциальная обкладка конденсатора С1).

2.2.3. Изменяя управляющее напряжение от -2 В до 2 В снять и построить регулировочную характеристику ГУН. Определить крутизну этой характеристики в окрестности U_УПР ≈ 0.

Указание. Частоту колебаний ГУН можно определять, измеряя период колебаний, либо с помощью Фурье-анализа [2, 3].

3. Содержание отчета

Отчет оформляется в виде журнала лабораторных работ. В него необходимо включить:

- название и цель работы;

- краткие сведения из теории;

- схемы исследуемых элементов;

- подготовительные расчеты;

- таблицы и графики экспериментальных зависимостей;

- выводы по результатам работы.

4. Контрольные вопросы

1. Пояснить принцип действия, привести статическую характеристику и записать передаточную функцию: управляемого генератора, частотного дискриминатора, фазового дискриминатора.

2. Записать выражения для АХЧ фазового дискриминатора.

3. Рассчитать полюсы передаточных функций ЧД и ФД по известным постоянным времени. Устойчивы ли эти элементы? Почему?