Радиоавтоматика: Методические указания к выполнению лабораторных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет Кафедра радиотехники

Радиоавтоматика

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированных специалистов: 654200 – радиотехника; 200700 – радиотехника Направление подготовки бакалавров 552500 - радиотехника

Санкт-Петербург 2004

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 621.396 : 537.81 Радиоавтоматика: Методические указания к выполнению лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 45 с. Методические указания к выполнению лабораторных работ разработаны на основе государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654200 –“Радиотехника” (специальность 200700 –“Радиотехника”) и направлению подготовки бакалавра 552500 –“Радиотехника”. Приводятся краткие теоретические сведения, необходимые для подготовки к выполнению лабораторных работ по курсу «Радиоавтоматика», а также описание работ и порядок их выполнения. Рассмотрено на заседании кафедры радиотехники 17 января 2004 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 12 февраля 2004 г. Рецензенты: кафедра радиотехники СЗТУ (зав. каф. Г.И. Худяков, д-р техн. наук, проф.); Л.Х.Нурмухамедов, канд. техн. наук, доц., ст. науч. сотр.

кафедры технической электроники С-Петербургского государственного университета кино и телевидения. Составители: О.Л.Соколов, канд. техн. наук, доц.; О.С.Голод, канд. техн. наук, доц.; А.Б.Войцеховский, канд. техн. наук, ст. преп..

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

2

Общие указания К выполнению лабораторных работ студенты допускаются только после проверки преподавателем их подготовленности. Для проведения лабораторных работ комплектуется группа из 10–12 человек (по 2-3 студента на рабочее место). Порядок проведения лабораторных работ регламентируется настоящим документом. При выполнении работ должны соблюдаться правила техники безопасности при работе с лабораторной установкой или с персональным компьютером. После окончания лабораторной работы студенты должны выключить все блоки лабораторной установки. Отчет о выполненных работах оформляется один на бригаду из 2-3 студентов. Экспериментальные и расчетные данные следует оформлять в виде таблиц, графиков в соответствии с указаниями, приведенными в описаниях работ; графики должны быть аккуратно вычерчены или вклеены в соответствующие места отчета. Кривые на графиках могут быть выполнены тушью, карандашом или фломастером. На графиках внизу должны быть приведены принятые обозначения и ссылки на таблицы, согласно которым построены кривые. Каждый пункт отчета, помимо таблиц и графиков, должен содержать краткое объяснение полученных результатов с выводом о проделанной работе. На обложке отчета следует указать название университета и кафедры, год, ФИО студентов, специальность, шифр, УКП и группу, а также название дисциплины, по которой выполнены лабораторные работы. При сдаче зачета студент должен знать назначение всех блоков лабораторных установок или компьютерных моделей, уметь объяснить ход кривых, полученных в процессе экспериментов или при компьютерном моделировании. Библиографический список: 1. Соколов О.Л., Голод О.С., Войцеховский А.Б. Радиоавтоматика: Письменные лекции. – СПб.: СЗТУ, 2003.- 71 с. 2. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика: Учеб.для вузов по спец. “Радиотехника”. – М.: Высш. шк., 1990. – 496 с. 3. Первачев С.В. Радиоавтоматика. – М.: Радио и связь, 1982.- 296 с. 4. Пат. 2015546 (РФ). Устройство для моделирования импульсного радиодальномера с автоматическим сопровождением по дальности / СЗПИ. Авт. изобрет.Соколов О.Л.N 4866573 /24; Заявл. 26.06.90; Опубл.30.06.94. Бюл. N 12. 5. А.с. N 1605251 (СССР). Устройство для моделирования системы автоподстройки частоты / СЗПИ. Авт. изобрет. Соколов О.Л. N 46226372 / 24 – 24; Заявл. 24.12.88 ; Опубл. 07.11.90 . Бюл. N 41. 6. Пат. 2069892 (РФ). Устройство для моделирования импульсного радиодальномера с автоматическим сопровождением расстояния до электрического слоя / СЗПИ. Авт. изобрет. Соколов О.Л., Потапов А.И., Кацан И.Ф. N 5063246 / 09; Заявл. 08.09.92; Опубл. 27.11.96. Бюл. N 33.

3

РАБОТА 1 Исследование системы автоматической подстройки частоты ( АПЧ ) 1. Цель работы Закрепление знаний по системе АПЧ. Исследование системы АПЧ в статике: снятие статических характеристик элементов системы, построение статической характеристики замкнутой системы, определение коэффициента автоподстройки и полосы схватывания и удержания. 2. Основные теоретические положения Системы АПЧ – это системы автоматического управления частотой колебаний автогенераторов. Они получили широкое распространение в разнообразных радиотехнических устройствах. Функциональная схема непрерывной (аналоговой) системы АПЧ представлена на рис. 1.

Рис.1. Функциональная схема системы АПЧ На вход смесителя См радиоприемника, имеющего систему АПЧ, поступает сигнал с частотой f c . В результате преобразования этого сигнала в смесителе образуются колебания промежуточной частоты fпр = fс - fг , которые через усилитель поступают на выход системы и частотный различитель ЧР. Отклонение промежуточной частоты от номинального значения fпр 0 вызывает на выходе частотного различителя напряжение U1 (пропорциональное этому отклонению), которое через корректирующий фильтр КФ воздействует на управляемый гетеродин УГ и изменяет частоту его колебаний. КФ служит для снижения влияния помех и в случае приема сигналов с амплитудной модуляцией предотвращает самовозбуждение в системе. Управляемый гетеродин представляет собой гетеродин с управителем частоты. Задача системы АПЧ состоит в том, чтобы свести к минимуму отклоне 4

ние частоты fпр от ее номинального значения fпр 0 независимо от нестабильности частот гетеродина и сигнала. В таком виде система АПЧ может рассматриваться как система автоматической стабилизации частоты. Результирующая характеристика цепи автоматической подстройки частоты представлена на рис.2.

Рис.2. Результирующая характеристика цепи АПЧ Как видно, эта характеристика имеет две характерные области. Одна из них – полоса расстроек между точками “a” и “b” , в которой цепь АПЧ “удерживает” промежуточную частоту близкой к номинальному значению. Эта полоса частот и называется полосой удержания. Вторая – полоса расстроек между точками “c” и “d”, близкая к полосе пропускания приемника. При введении преобразованной частоты сигнала в эту полосу происходит “захват” частоты приемника цепью АПЧ, после чего настройка сохраняется при отклонениях частоты в пределах полосы удержания. Поэтому полоса между точками “c” и “d” называется полосой захвата. Таким образом, по статической характеристике замкнутой системы АПЧ можно определить полосы удержания и захвата. Структурная схема системы АПЧ представлена на рис.3. Этой схеме соответствует передаточная функция замкнутой системы АПЧ

Ф( s ) = 1+

1 K1 K 2 K 3

.

(T1s + 1)(T2 s + 1)

Рис.3. Структурная схема системы АПЧ 5

Лабораторная установка предназначена для снятия статических характеристик элементов системы АПЧ и статической характеристики всей системы в целом. 3. Описание лабораторной установки Лабораторная установка состоит из двух устройств : 1) блока УКВ от профессионального радиоприемника “ Ишим – 301”, размещенного в отдельном корпусе и конструктивно и схемно приспособленного для выполнения операций в соответствии с порядком выполнения лабораторной работы; 2) вспомогательного генератора гармонических колебаний с частотой 66,87 МГц, также размещенного в отдельном корпусе. Вспомогательный генератор не перестраивается по частоте, включается в работу с помощью тумблера на лицевой панели. Выход генератора оформлен в виде коаксиального разъема. Блок УКВ имеет лицевую панель, на которой расположены органы управления работой блока и индикаторы частоты и напряжения. Вход блока УКВ оформлен в виде коаксиального разъема. К этому разъему в процессе выполнения лабораторной работы подключается либо рамочная или петлевая УКВ-антенна, либо коаксиальный кабель, соединяющий блок УКВ с выходом вспомогательного Блок содержит: генератора. преселектор (т.е. входные цепи и УВЧ), гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты (которая равна 10,7 МГц), частотный детектор с фильтром нижних частот, УНЧ. Преселектор и гетеродин можно одновременно перестраивать по частоте с помощью регулятора напряжения настройки “Настройка”, выведенного на лицевую панель. С выхода ФНЧ по цепи отрицательной обратной связи на гетеродин поступает управляющее напряжение. В результате его действия осуществляется поддержание частоты колебаний гетеродина на таком значении, чтобы оставалась неизменной промежуточная частота. Измерение промежуточной частоты и частоты принимаемого сигнала производится с помощью пятиразрядного цифрового частотомера; измерение напряжения настройки гетеродина и напряжения на выходе фильтра частотного детектора осуществляется цифровым трехразрядным вольтметром; прослушивание принимаемых радиостанций производится через встроенный динамик. Переключение измерительных приборов с одной контрольной точки на другую осуществляется тремя кнопочными переключателями, а правильность переключения контролируется по включающимся при этом светодиодам желтого и красного цвета. На лицевой панели блока УКВ имеются все необходимые шильдики с соответствующими надписями. 4. Порядок выполнения работы 1. Прочитать внимательно разд. 2 и 3, а также конспект лекции по теме “Система АПЧ”. 2. Ознакомиться с расположением органов управления блока УКВ и

6

вспомогательного генератора. Особое внимание обратить на кнопочные переключатели. Включить питание вспомогательного генератора и блока УКВ. 3. На лицевой панели блока УКВ поставить: переключатель частотомера (“ f ”) в положение “Вх. смес.”; переключатель вольтметра (“U”) в положение “U НАСТР.”; выключатель системы автоматической подстройки частоты гетеродина (круглая кнопка “АПЧ”) – в положение “Выкл.” (т.е. отжать). Подключить к входу блока УКВ рамочную антенну. Перестраиваясь по частоте в пределах УКВ диапазона, зафиксировать несущую частоту каждой, работающей в данное время, радиостанции, а также управляющее напряжение гетеродина. Данные занести в таблицу по форме 1. № п/п 1 2 3

Время, число, год

Радиостанция

Форма 1 fc , МГц U,В

4. Отключить антенну УКВ. Отжать кнопку “АПЧ”, т.е. отключить АПЧ. Вспомогательный генератор подключить к входу блока УКВ. Установить переключатель “U” в положение “UФНЧ ”, т.е. подключить вольтметр к выходу ФНЧ. Настроиться на несущую частоту вспомогательного генератора fc = 66,87 МГц. Добиться точности настройки до показания вольтметра 0,01. 5. Сохранив настройку по п.4, исследовать статическую характеристику частотного различителя (частотного детектора). Для этого установить кнопку “ f ” в положение “ Вых. УПЧ” (об этом сигнализирует желтый светодиод) ; при этом частотомер подключится к выходу УПЧ и будет измерять расстройку приемника по промежуточной частоте ∆f ПР . Измерения производить в положительной части характеристики, согласно форме 2, изменяя величину ∆f ПР и фиксируя величину U ФНЧ . Форма 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 ∆fПР , кГц U ФНЧ , В По форме 2 построить характеристику U ФНЧ = f ( ∆f ПР ), причем отрицательную ветвь построить нечетно-симметрично снятой положительной. 6. По построенной характеристике определить крутизну статической характеристики частотного детектора, используя формулу

SЧД = ∆U / ∆fПР, при значениях расстройки ∆fПР в точках 40, 60, 80 кГц. Оценку крутизны внести в таблицу по форме 3.

7

Форма 3

∆fПР , кГц

№ п/п 1 2 3

SЧД , В/кГц

40 60 80

7. Исследовать статическую характеристику управляемого гетеродина. Для этого необходимо: выход генератора соединить с входом приемника; настроиться на несущую частоту генератора fc = 66,87 МГц ; отжать кнопку “U”. При этом цифровой вольтметр подключается к источнику регулируемого постоянного напряжения, подаваемого на вход варикапов, о чем сигнализирует светодиод красного цвета. Затем отжать кнопку “f”, при этом частотомер подключается к входу смесителя, о чем сигнализирует светодиод желтого цвета, а частотомер измеряет частоту принимаемого сигнала. Отжать кнопку “АПЧ”. Частота гетеродина определяется по формуле

fГ = fC + 10,7 МГц.

8. Произвести измерения, изменяя UУПР в соответствии с верхней строкой формы 4 и фиксируя величину fC по частотомеру. Заполнить таблицу по форме 4.

Uупр , В ∆Uупр , В fc , МГц fг , МГц ∆fг, МГц

4,80 0 66,87 77,57 0

4,85 0,05 66,92 77,62 0,05

4,90 0,10

4,95 0,15

5,00 0,20

Форма 4 5,05 0,25

9. Построить статическую характеристику управляемого гетеродина ∆fг = ϕ ( ∆Uупр ) и графически определить ее крутизну Sуг в трех точках по формуле Sуг = ∆fг / ∆Uупр . Занести оценку Sуг в таблицу по форме 5. Форма 5 № п/п

1 2 3

∆Uупр , В Sуг , кГц/В 0,1 0,2 0,25

10. Определить коэффициент автоподстройки системы АПЧ по формуле

КАПЧ

=

1 + ⏐ SЧД ⋅ SУГ ⏐ 8

и занести значение КАПЧ в таблицу по форме 6. Форма 6 № п/п

SЧД

SУГ

КАПЧ

1 2 3 11. Экспериментально определить K€

АПЧ

как коэффициент, показываю-

щий, во сколько раз изменится частота гетеродина при отключенной АПЧ по сравнению со случаем включенной АПЧ. Для этого: 1) настроиться на частоту генератора 66,87 МГц при отжатой кнопке “АПЧ”; нажать кнопки “АПЧ” и “f”; 2) повернуть ручку “Настройка” на небольшой угол по часовой стрелке до появления значения ∆f ПР = 10 кГц ; 3) отжать кнопку “АПЧ” и снять показания частотомера при отключенной АПЧ - ∆f 1 ; ПР

4) оценить коэффициент автоподстройки по формуле 1 K€АПЧ = ∆f ПР / ∆f ; ПР

5) повторить пп. 1) …4) для ∆f

ПР

= 20 и 30 кГц ;

6) данные занести в таблицу по форме 7. № п/п 1 2 3

∆f ПР , кГц

Форма 7 1 ∆f ПР , кГц

K€АПЧ

10 20 30

7) согласно данным формы 7, построить зависимость K€

АПЧ

= φ ( ∆f

ПР

),

по которой сделать вывод об эффективности работы системы АПЧ в зависимости от величины отклонения ∆f . ПР

12. Оценить полосу удержания при включенной системе АПЧ. Для этого : 1) установить частоту гетеродина 66,87 МГц; 2) переключателем “f” подключить частотомер к выходу УПЧ; 3) устанавливая ручкой “Настройка” последовательно значения ∆f

ПР

,

указанные в таблице по форме 8, измерять значение fc, переключая каждый раз кнопкой “f” вход частотомера с выхода УПЧ на вход приемника. Заполнить таблицу по форме 8 и оценить частоту срыва слежения.

9

∆f ПР ,кГц 0

fc , МГц ∆fс, кГц

10

20

40

60

80

Форма 8 120 160 200 220 230

66,87 0

13. Оценить полосу схватывания при включенной системе АПЧ. Для этого: 1) установить частоту гетеродина 67,08 МГц; 2) устанавливая ручкой “Настройка” последовательные значения частоты fc , указанные в форме 9, измерять значения ∆f , переключая каждый раз ПР

частотомер кнопкой “f”. Заполнить таблицу по форме 9 и оценить частоту схватывания. Форма 9 67,08 67,05 67,03 67,00 66,97 66,93 66,90 66,87 fc , МГц

∆fс, кГц ∆f ПР ,кГц

14. По результатам измерений форм 8 и 9 построить зависимости

↑ = Ψ (∆f ) , ∆f ПР 1 С

↓ = Ψ (∆f ) ∆f ПР 2 С

Сделать выводы по данным измерений.

5. Содержание отчета Отчет должен содержать: 1) наименование работы, 2) цель работы, 3) краткое изложение основных теоретических положений (со схемами рис.1- 3), 4) статическую характеристику частотного различителя с заполненной формой 2; 5) заполненные формы 1, 3 – 9 и необходимые графические построения к ним; 6) выводы. Литература : [ 1], с. 23 …25, [ 5 ]. РАБОТА 2 Исследование системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 1. Цель работы Закрепление знаний по системе ФАПЧ. Исследование системы ФАПЧ в статике и динамике : определение коэффициента перекрытия по частоте управляемого генератора, снятие и исследование переходных характеристик системы при различных значениях ее параметров. 10

2. Основные теоретические положения Системы ФАПЧ широко применяются в радиотехнических устройствах различного назначения. Они применяются в качестве следящих фильтров для восстановления несущей в радиоприемнике при однополосной и балансной модуляции; в системах передачи сообщений методом фазовой манипуляции; для автоматической подстройки частоты и фазы строчной развертки в телевизоре; в системах цветного телевидения с квадратурной модуляцией цветовой поднесущей; для выделения сигнала на фоне шума в доплеровских системах; для демодуляции сигналов с фазовой модуляций; для построения перестраиваемых по частоте генераторов высокостабильных колебаний; в устройствах воспроизведения магнитной записи и в других областях. В схемном отношении система ФАПЧ отличается от системы АПЧ использованием вместо частотного дискриминатора фазового детектора (рис.4 ).

Рис.4.

Функциональная схема системы ФАПЧ

В системе ФАПЧ управляющее напряжение пропорционально разности фаз сигнального и опорного напряжений. Это напряжение сводит до нуля начальную расстройку по частоте. Таким образом, в системе ФАПЧ отсутствует статическая ошибка вследствие интегральной зависимости разности фаз от частотной расстройки. Система ФАПЧ является астатической системой автоматического регулирования. Астатизм системы автоматического регулирования определяется числом интегрирующих звеньев. В системе ФАПЧ происходит одно интегрирование, поэтому ФАПЧ - это система с астатизмом первого порядка. Принцип действия системы ФАПЧ состоит в следующем. Колебания сигнала uc (t) и подстраиваемого генератора ПГ поступают на фазовый детектор ФД. При рассогласовании указанных колебаний по фазе на выходе ФД появляется напряжение, которое, пройдя через фильтр нижних частот ФНЧ, воздействует с помощью управляющего элемента УЭ на частоту подстраиваемого генератора ПГ так, что исходное фазовое рассогласование уменьшается. При правильном выборе параметров в системе ФАПЧ устанавливается синхронный режим, в котором частота и фаза подстраиваемого генератора следит за частотой и фазой сигнала uc (t). Переход к синхронному режиму работы

11

обеспечивается в пределах определенного диапазона первоначальных расстроек между частотами сигнала и подстраиваемого генератора, называемого полосой захвата. Структурная схема системы ФАПЧ имеет вид (рис.5)

Рис.5. Структурная схема системы ФАПЧ Блок

1 отображает в структуре операцию интегрирования. p 3. Описание лабораторного стенда

Модель системы ФАПЧ построена с применением операционных усилителей ( ОУ ) в интегральном исполнении и цифровых ИС. В качестве опорного генератора использован кварцевый генератор частотомера 43–32 (выход – 1 кГц). Его частота может делиться на 10 и на 100 с помощью делителя лабораторной установки. Это соответствует установке шага перестройки по частоте соответственно 10, 100 и 1000 Гц. Генератор, управляемый напряжением (ГУН) выполнен по схеме интегратор – компаратор и может перестраиваться в диапазоне 10 Гц – 30 кГц. Кгун = = 3,2 кГц/В. Управляющее напряжение на ГУН поступает с сумматора, собранного на ОУ. На один из входов сумматора поступает напряжение от потенциометра управления частотой, на другой вход – сигнал рассогласования с выхода фазового детектора (ФД) (для этого входа коэффициент передачи равен 1). Выход ГУН подсоединен ко входу делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Частота ГУН делится с помощью программируемого делителя с коэффициентом пересчета 1…9999. Коэффициент деления ДПКД устанавливается по командам оператора. Сигнал с выхода делителя (ДПКД) поступает на один из входов ФД. ФД - импульсного типа, работающий по фронтам, собран на двух D-триггерах. На второй вход ФД поступает сигнал с генератора опорной частоты (ГОЧ). ФД предназначен для сравнения частоты ГОЧ с приведенной частотой ГУН. Сигнал рассогласования с выхода ФД поступает на фильтр нижних частот (ФНЧ), параметры которого могут изменяться тремя переключателями (“R3”, “R4”, “С2”). Особенностью данного ФНЧ является наличие двух выходов. Первый выход через переключатель S1.1 соединен с масштабным усилителем, который

12

предназначен для изменения коэффициента передачи в петле регулирования и подачи напряжения в цепь управления ГУН. Второй выход ФНЧ соединен через переключатель S1.2 с ОУ, имеющим коэффициент усиления, стремящийся к бесконечности. Такое исполнение дает возможность выбирать режим работы ФНЧ: пассивный и активный. В петле регулирования применен сумматор, который позволяет без применения коммутирующих элементов одновременно подавать на управляющий вход ГУН как напряжение рассогласования, так и напряжение регулировки частоты. На лицевой панели стенда находятся: − переключатель “контур регулирования”, позволяющий замыкать и размыкать петлю регулирования; − измерительный прибор “напряжение детектора”, показывающий постоянную составляющую напряжения на выходе ФД; его шкала “± 5В”; − регулятор “частота” (“грубо” и “точно”), подающий напряжение на второй вход сумматора и позволяющий изменять частоту ГУН от 100 Гц до 40 кГц (в режиме с активным ФНЧ напряжение рассогласования полностью компенсирует управляющее напряжение, и поэтому в этом режиме регулятор “частота” не действует); − переключатель “Кдел”, позволяющий установить коэффициент деления в пределах 1…9999; при этом для устойчивой работы необходимо установить: при fоп = 1000 Гц → Кдел = 1…40; при fоп = 100 Гц → Кдел = 1…400; при fоп = 10 Гц → Кдел = 1…4000; − светодиод “захват” - индицирует состояние петли ФАПЧ: горящий → захват не достигнут; погашен → захват достигнут; − переключатель “вид ФНЧ”- позволяет установить соответствующий

режим работы ФНЧ: активный или пассивный; − переключатели “С2” “R3”, “R4” - позволяют установить параметры ФНЧ согласно схеме, соответствующей режиму работы; − переключатель Км – позволяет в режиме работы с пассивным ФНЧ изменять коэффициент передачи петли К0 по постоянному току. На передней панели стенда установлены переключатели: “Fоп” - позволяет установить опорную частоту генератора Fоп = 10; 100 или 1000 Гц; − “осциллограф” - позволяет подключать осциллограф к выходу сумматора (Uупр); выходу детектора (Uдет); выходу ГУН (ГЕН);

13

−сигнальная лампочка и выключатель “Сеть 220 В”. На задней стенке макета расположены гнезда для соединения со стандартными приборами. Во всех режимах синхронизация осциллографа осуществляется от выхода “синхронизация осциллографа” макета (находится также на задней стенке). Функциональная схема лабораторного стенда представлена на рис.6.

Рис.6.

Функциональная схема лабораторного стенда 4. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с расположением блоков и назначением всех органов управления. 2. Включить напряжение питания. 3. Определить коэффициент перекрытия генератора, управляемого напряжением (ГУН). Для этого: 1) установить тумблер “Контур регулирования” в положение “Разомкнуто”, а переключатель “Осциллограф” (на передней панели) - в положение «ГЕН»;

14

2) изменяя частоту ГУН в пределах от 0,3 кГц до 30 кГц, фиксировать показания вольтметра постоянного тока, подключенного к задней панели стенда; результаты заносить в таблицу по форме 10. f, кГц U, В

0,3 0,085

1,0

2,0

5,0

10,0

20,0

Форма 10 30,0 8,8

4. Наблюдать и зарисовать в отчет переходный процесс на выходе фазового детектора (рис.7).

Рис.7. Переходная характеристика системы ФАПЧ Для этого: 1) установить на выходе генератора частоту fген = 10 кГц. Коэффициент делителя ДПКД установить равным Кдел = 1000; 2) установить тумблер “Контур регулирования” в положение “Замкнуто”; 3) переключатель “ФНЧ” поставить в положение “Пассивный”; 4) установить коэффициент усиления Км = 0,05; 5) переключатель “Осциллограф” установить в положение “Uдет”; 6) установить синхронизацию осциллографа С1–83 в положение “Внешняя”; развертку - в положение “0,5 с/см”; 7) переключатель “Делитель опорной частоты” должен быть в положении “101”. Установив значения: R3 = 13 кОм; R4 = 0; С2 = 1,0 мкФ, с помощью регуляторов частоты “Грубо – Точно” необходимо добиться минимального свечения светодиода “Захват”. Разрывая контур регулирования и через 5 – 7 с снова замыкая его, наблюдать на экране осциллографа и зарисовать в отчет переходный процесс захвата частоты системой ФАПЧ. Изменить параметры ФНЧ, установив: R3 = 300 кОм; R4 = 56 кОм; С2 = 0,33 мкФ. Повторить наблюдение и зарисовку переходного процесса.

15

5. Исследовать влияние параметров ФНЧ и величины Км на переходный процесс в системе. Для этого: 1) установить контур регулирования в положение “Замкнуто”; 2) оставить делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД в положении “1000”; 3) установить коэффициент петлевого усиления Км = 0,5; 4) установить значения: R3 = 300 кОм; R4 = 100 кОм; С2 = 0,1 мкФ; 5) ФНЧ оставить в положении “Пассивный”; 6) опорная частота fоп = 10 Гц (переключатель – в положении «101»). С помощью регуляторов частоты “Грубо – Точно” добиться минимального свечения светодиода “Захват”. Установить переключатель “Контур регулирования” в положение “Разомкнуто” и произвести измерение частоты системы ФАПЧ (по частотомеру). Замкнуть контур регулирования и наблюдать на экране осциллографа переходный процесс захвата частоты в системе. Зарисовать и зафиксировать параметры переходного процесса h m (“Перерегулирование”) и T0 (“Период собственных колебаний”) (рис.8).

Рис.8. Параметры переходного процесса Изменить параметры ФНЧ, установив R4 = 0; разомкнуть и замкнуть контур регулирования и зафиксировать параметры переходного процесса. Установить R3 ≤ 100 кОм ; наблюдать переход системы к режиму автоколебаний (рис.9) .

Рис.9. Переходная характеристика в режиме автоколебаний 16

6. Исследовать влияние коэффициента усиления в системе ФАПЧ на качество переходного процесса и выходную частоту ГУН. Положение органов управления стенда и осциллографа должно быть таким же, как и в п. 5 при R4 = 0. Размыкая и замыкая контур регулирования, наблюдать влияние коэффициента петлевого усиления в системе (переключатель Км ) на качество переходного процесса и точность захвата частоты ГУН. 7. Исследовать влияние коэффициента усиления системы на полосу захвата частоты. Для этого: 1) установить регуляторы частоты “Грубо” и “Точно” в крайнее левое положение; 2) установить переключатель контура регулирования в положение “Замкнуто”; 3) измерить частоту и снять показания вольтметра, показывающего напряжение управления ГУН , при коэффициенте усиления Км = 0,1;

Форма 11 КМ 0,01 0,05 0,2 0,5 1,0 5,0 Положение регуляторов частоты Крайнее Гц левое В Крайнее Гц правое В 4) установить регуляторы частоты “Грубо” и “Точно” в крайнее правое положение; также измерить частоту и напряжение; 5) повторить измерения при Км = 0,05; 0,2; 0,5; 1,0; 5,0 ; занести показания частотомера и вольтметра по п. 3) и 5) в таблицу по форме 11. 6) сделать выводы по данным таблицы (формы 11). 5. Содержание отчета Отчет должен содержать : 1) наименование работы; 2) цель работы; 3) краткую запись основных теоретических положений; 4) функциональную схему лабораторного стенда; 5) результаты исследований : заполненные формы 1 и 2, статическую характеристику ГУН, осциллограммы переходных процессов , выводы по данным форм 1 и 2. Литература : [ 1 ], с. 28 . . .30.

17

РАБОТА 3 Исследование импульсного радиодальномера с автоматическим сопровождением по дальности 1. Цель работы Изучение принципа действия радиодальномера с одним интегрирующим элементом. Экспериментальное определение статических характеристик радиодальномера и временного различителя. 2. Основные теоретические положения Для автоматического измерения расстояния до движущихся объектов широко применяется система автоматического сопровождения цели по дальности (АСД) или временной автоселектор. Функциональная схема системы представлена на рис.10. Радиолокационный приемник открывается (стробируется) с помощью временного автоселектора на короткие интервалы времени ожидаемого прихода эхосигнала от избранной цели. Эта мера повышает помехоустойчивость приема. Строб-импульсы формируются специальным формирователем Ф, входящим в состав временного автоселектора. В состав временного автоселектора входят также временной дискриминатор ВД, сглаживающее устройство СУ и устройство регулируемой временной задержки УРВЗ. Совмещение во времени строб-импульсов с эхосигналами цели в каждом цикле зондирования обеспечивается работой следящего автоселектора. С этой целью формирователь Ф формирует два селекторных импульса: СИ1 и СИ2. Импульсы прямоугольной формы СИ1 и СИ2 располагаются симметрично относительно середины строб-импульса и следуют непосредственно друг за другом.

Рис.10 . Функциональная схема временного автоселектора 18

Сглаживающее устройство содержит два последовательно включенных электронных интегратора И1 и И2 и корректирующую RC -цепочку КЦ. Электронные интеграторы могут быть выполнены, например, на операционных усилителях. Временной дискриминатор содержит два каскада совпадений: КС1 и КС2 на два входа каждый и дифференциальный детектор ДД. Выходные напряжения каскадов совпадений ИС1 и ИС2 образуются в результате совпадения селекторных импульсов СИ1 и СИ2 и эхосигнала цели. Импульсы ИС1 и ИС2 детектируются и вычитаются в дифференциальном детекторе, образуя выходное напряжение дискриминатора. Вырабатываемые синхронизатором радиолокатора зондирующие импульсы ЗИ запускают мощный импульсный генератор, формирующий радиоимпульсы, излучаемые антенной, и одновременно запускают устройство регулируемой временной задержки УРВЗ автоселектора. В качестве УРВЗ может быть использован , например, фантастрон. Длительность импульса задержки ИЗ, вырабатываемого фантастроном, зависит от величины управляющего напряжения u2 . От заднего фронта (спада) импульса задержки запускается формирователь селекторных импульсов Ф. Первый селекторный импульс формируется ждущим мультивибратором, а второй селекторный импульс образуется путем задержки первого на время, равное его длительности, с помощью линии задержки. При изменении управляющего напряжения u2 селекторные импульсы смещаются во времени относительно зондирующего импульса в пределах от 0 до 0,95 ТЗ, где ТЗ - период повторения зондирующих импульсов.

Рис.11. Поясняющие временные диаграммы 19

На временных диаграммах, поясняющих функционирование автоселектора (рис.11 ), эхоимпульс в момент времени t1 совпадает с первым селекторным импульсом СИ1. В результате на выходе каскада совпадений КС1 возникает импульс совпадений ИС1, уменьшающий по абсолютной величине напряжение на выходе первого интегратора на величину ∆u1.1. В промежутке между импульсами напряжение на выходе первого интегратора сохраняется постоянным. Вследствие уменьшения напряжения на выходе первого интегратора выходное напряжение второго интегратора, хотя и продолжает увеличиваться, но с меньшей скоростью. По мере увеличения напряжения на выходе второго интегратора уменьшается длительность импульса задержки ИЗ. Благодаря этому в момент времени t 2 селекторные импульсы СИ1 и СИ2 располагаются относительно очередного эхоимпульса ЭИ таким образом, что большая часть ЭИ перекрывается с импульсом СИ1, а меньшая - с импульсом СИ2. Теперь образуются два импульса совпадений: ИС1 и ИС2, причем ИС1 имеет большую длительность по сравнению с ИС2. Импульс ИС1 приводит к дальнейшему уменьшению отрицательного напряжения на выходе первого интегратора, а импульс ИС2, наоборот, увеличивает это напряжение. Так как длительность ИС1 больше длительности ИС2, то результирующее отрицательное напряжение на выходе первого интегратора уменьшается на величину ∆u1.2 . Однако |∆u1.2| < |∆u1.1 |. Напряжение на выходе второго интегратора, хотя и продолжает увеличиваться, но с меньшей скоростью, чем в предыдущем периоде. Увеличение напряжения u2 приводит к дальнейшему уменьшению длительности импульса задержки ИЗ, в результате чего селекторные импульсы в момент времени t 3 оказываются так расположенными относительно эхоимпульса, что граница их раздела делит эхоимпульс пополам. В результате этого длительности импульсов совпадений ИС1 и ИС2 оказываются равными, а приращение напряжения на выходе первого интегратора равно нулю. Следовательно, увеличение напряжения на выходе второго интегратора прекращается, также прекращается изменение длительности импульса задержки ИЗ, и в системе устанавливается состояние равновесия. Величина напряжения u2 пропорциональна дальности до цели, а величина напряжения u1 на выходе первого интегратора пропорциональна скорости цели, если цель движется. В динамике селекторные импульсы непрерывно сопровождают эхоимпульс. При движении цели с постоянной скоростью в системе с двумя интеграторами ( с астатизмом второго порядка) ошибка в определении скорости и ошибка в определении дальности цели равны нулю. Однако, если цель движется с ускорением, появляется ошибка, пропорциональная ускорению. Для улучшения качества переходных процессов между интеграторами включается корректирующая цепь КЦ ( форсирующее звено). В ряде случаев для улучшения помехоустойчивости включается также фильтр нижних частот 20

помехоустойчивости включается также фильтр нижних частот (инерционное звено). Захват цели в начале работы автоселектора производится либо вручную оператором, наблюдающим отметку цели на экране ЭЛТ, либо специальным автоматическим устройством поиска и захвата цели. В связи с импульсным характером сигнала информация о рассогласовании ∆ф ( середины эхосигнала относительно стыка селекторных импульсов) образуется в автоселекторе в дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на период повторения зондирующих импульсов. Поэтому, строго говоря , временной автоселектор является дискретной (импульсной) системой радиоавтоматики. Однако если частота повторения зондирующих импульсов велика по сравнению с высшей частотой полосы пропускания автоселектора, что часто выполняется на практике, то можно считать автоселектор непрерывной системой. В таком предположении построим структурную схему автоселектора. Временное рассогласование Дф равно: ∆τ = τс - τси . При высокой частоте повторения зондирующих импульсов пульсации выходного напряжения временного дискриминатора, обусловленные импульсным характером сигнала, эффективно сглаживаются. В этом случае при анализе автоселектора достаточно рассматривать выходное напряжение дискриминатора, усредненное за период повторения импульсов: uвд (t) = F(∆τ) + ξ(t,∆τ) , где F (∆ф) и о(t , Дф) - соответственно математическое ожидание и флуктуационная составляющая выходного напряжения дискриминатора. Форма дискриминационной характеристики F (∆ф) и параметры напряжения о(t , Дф) зависят от соотношения сигнал/шум, ширины полосы пропускания радиотракта, длительности селекторных импульсов и наличия амплитудных флуктуаций сигнала. Преобразование напряжения, выполняемое сглаживающим устройством, определяется линейным дифференциальным оператором Wф ( p ), учитывающим число интегрирующих звеньев в составе автоселектора:

u2 (t) = Wф (p)⋅ uвд (t) . Обычно зависимость величины задержки в схеме УРВЗ от управляющего напряжения является безынерционной. Если она, кроме того, линейна, то выполняется соотношение τСИ = τСИ0 + SРЕГ ⋅ u2 , где SРЕГ – крутизна характеристики УРВЗ ; τСИ0 - значение задержки при отсутствии управляющего напряжения. Величина τСИ0 может обладать некоторой нестабильностью, которую необходимо учитывать при анализе селектора. Приведенным соотношениям соответствует структурная схема на рис.12. 21

Рис.12. Структурная схема следящей системы 3. Описание лабораторного стенда

Лабораторная работа выполняется на стенде, который состоит из действующего макета импульсного радиодальномера с одним интегратором, двухканального осциллографа для наблюдения формы напряжений в различных точках схемы и вольтметра постоянного напряжения. Функциональная схема системы АСД (рис.13) включает временной различитель ВР, промежуточные элементы ПЭ, схему временной задержки ВЗ и формирователь селекторных импульсов ФСИ. Временной различитель состоит из временного селектора ВС и дифференциального детектора ДД.

Рис. 13 . Функциональная схема макета АСД Зондирующие импульсы 3И (рис.11), следующие с периодом повторения Т, одновременно запускают схему временной задержки ВЗ. Длительность импульсов ИЗ схемы временной задержки пропорциональна напряжению u1, которое поступает на вход схемы от промежуточных элементов ПЭ. Формирователь селекторных импульсов вырабатывает из заднего фронта импульсов ИЗ два селекторных импульса: СИ1 и СИ2 . Интервал времени между зондирующим импульсом и серединой селекторных равен τ си . На временной селектор поступает отраженный от цели эхо-импульс ЭИ. Интервал времени τ0 между зондирующим импульсом и серединой отраженного пропорционален расстоянию до цели. Длительность импульсов ЭИ, СИ1 и СИ2 одинакова и равна τ. 22

Временной селектор ВС состоит из двух каскадов совпадений и вырабатывает два импульса совпадений: ИС1 и ИС2, которые формируются при совпадении во времени соответствующего селекторного и отраженного импульсов. В режиме слежения середины отраженного и селекторных импульсов совпадают, если дальность до цели неизменна. На осциллограмме ИС1-ИС2 показан случай, когда τ0 < τ си , что соответствует перемещению отраженного импульса влево вдоль оси времени (дальность уменьшилась). В системе возникает сигнал ошибки (временное рассогласование) ∆t 1 = τ си τ0 , а длительность импульса ИС1 (в следующем периоде) оказывается больше длительности ИС2 . В дифференциальном детекторе происходит подзаряд интегрирующего конденсатора в течение длительности импульса ИС1 и значительно меньший разряд в течение длительности импульса ИС2. Разница между напряжениями подзаряда и разряда конденсатора за счет действия обратной связи постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению длительности импульсов ИЗ, смещению влево пары импульсов СИ1, СИ2, выравниванию длительности импульсов ИС1 и ИС2 и захватыванию системой цели. 4. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с лабораторным стендом и его органами управления. Включить питание стенда и осциллографа С1-83. 2. Установить в осциллографе: переключатель развертки “Время/деление” в положение “0,1 мс”; переключатель “Развертка/синхронизация” в положение “Внешняя, 5 – 50 мс”. Соединить проводом левое гнездо “Гн1” стенда с гнездом внешней синхронизации осциллографа. 3. Подключить вход осциллографа “Канал 1” к правому гнезду “Гн1” стенда; получить на экране осциллографа устойчивое изображение двух зондирующих импульсов с одним промежутком между ними. Эти импульсы будут одновременно служить синхронизирующими для развертки осциллографа. 4. Подключать последовательно вход осциллографа “Канал 2” к гнездам стенда : 1) к гнезду “Гн2” – наблюдать сигнал задержки (ИЗ); вращая в оба направления регулятор “Перемещение цели”, измерить диапазон временной задержки; 2) последовательно к гнездам “Гн3” и “Гн4” – наблюдать и измерить пару селекторных импульсов (СИ1 и СИ2);

23

3) к гнезду “Гн6” – наблюдать и измерить отраженный импульс (ЭИ); вращая регулятор “Перемещение цели”, убедиться в соответствующем перемещении отраженного импульса; 4) последовательно к гнездам “Гн7” и “Гн8” – убедиться в наличии импульсов (ИС1 и ИС2) на входах дифференциального детектора (ДД); зарисовать взаимное расположение этих импульсов относительно отраженного импульса ; 5) к гнезду “Гн9” – наблюдать импульс на входе интегратора (инерционного звена); зарисовать его форму; 6) к гнезду “Гн10” – вращая регулятор “Перемещение цели”, определить форму “сигнала” в этом гнезде и пределы изменения его величины. 5. Наблюдать и зарисовать перемещение отраженных импульсов в трех режимах : а) устойчивое слежение, б) неустойчивое слежение, в) срыв слежения. При этом : 1) для наблюдения устойчивого слежения подключить “Канал 1” осциллографа к гнезду “Гн6”, “Канал 2” к гнезду “Гн9” ; переключатель “Заряд” поставить в положение 4, переключатель “Скорость цели” – в положение 2 или 3 (т.е. установить скорость перемещения цели меньшей, чем скорость заряда накопительного конденсатора) (при переключении ручки “Заряд” нажать кнопку “Разряд”); убедиться, что при перемещении цели (вращении регулятора “Перемещение цели”) не происходит срыва слежения выходными импульсами блока ФСС; 2) для наблюдения неустойчивого слежения за отраженным импульсом установить переключатели “Заряд” и “Скорость цели” в одинаковые положения (рекомендуется – в положение 4); убедиться, что при резких перемещениях цели, когда скорость цели превышает установленную скорость, происходит срыв слежения ; 3) для наблюдения срыва слежения установить переключатель “Заряд” в положение 1, переключатель “Скорость цели” в положение 4 (т.е. установить скорость заряда накопительного конденсатора существенно меньшей скорости перемещения цели); убедиться в срыве слежения за отраженным импульсом при резком повороте регулятора “Перемещение цели”. Примечание: Во всех перечисленных режимах слежения тумблер “Управление” должен находиться в положении “Ручное”. 6. Снять статическую характеристику дальномера U C = f (t) .Для этого: 1) подключить первый канал осциллографа к гнезду “Гн1”, второй канал – к гнезду “Гн6”; подключить вольтметр к гнезду “Гн10” и настроить его на измерение постоянных напряжений на шкале “3 В”; 2) произвести захват цели, установив переключатель “Заряд” в положение 4; 3) изменяя временное положение отраженного импульса (в пределах одного периода следования зондирующих импульсов) от минимального до 24

максимального, измерять напряжение на накопительном конденсаторе (гнездо “Гн10”) не менее чем в семи точках; 4) по результатам измерений построить график зависимости U C = f (t). 5. Содержание отчета

Отчет должен содержать : 1) наименование работы; 2) цель работы; 3) краткую запись основных теоретических положений; 4) функциональную схему лабораторного стенда и временные диаграммы сигналов в его гнездах; 5) результаты исследований режимов слежения; 6) статическую характеристику; 7) выводы. Литература : [ 1 ], с. 30 . . .34; [ 4 ]; [ 6 ].

РАБОТА 4 Исследование типовых звеньев радиоавтоматики на электронной модели 1. Цель работы

Исследование переходных характеристик элементарных звеньев и приобретение навыков применения компьютерных программ для моделирования звеньев и соединений звеньев систем автоматического регулирования. 2. Основные теоретические положения

При моделировании звеньев и соединений звеньев систем автоматического регулирования широко используются операционные усилители, позволяющие осуществлять математические операции инвертирования, суммирования, интегрирования и т.п. Операционный усилитель – это усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления 105 . . . 106 , работающий в режиме глубокой отрицательной обратной связи. Входное напряжение подается на вход такого усилителя через входное сопротивление Zвх. Отрицательная обратная связь достигается включением сопротивления обратной связи Zос между входом и выходом усилителя (рис.14 ).

25

Рис. 14. Схема включения операционного усилителя Передаточная функция такого усилителя

W ( s) = −

Z ос ( s) Z ВХ ( s)

.

(1)

Используя различные виды сопротивлений ZВХ и ZОС , можно получить различные передаточные функции. Так, при ZВХ = RВХ и ZОС = RОС получим

W ( s) = −

RОС RВХ

= −k ,

(2)

т.е. усилительное звено. При подключении ко входу активного сопротивления и включения в цепь обратной связи емкости получим

W (s) = −

1 k =− , RВХ С ОС s s

(3)

т.е. передаточную функцию интегрирующего звена с коэффициентом k = 1 /( R С ) . ВХ

ОС

Рассмотрим моделирование дифференциального уравнения порядка

a

d 3x dt 3

+b

d 2x dt 2

+c

третьего

dx + dx = ey. (4) dt

Решаем уравнение относительно d 3 x / dt 3 :

e b d 2 x c dx d = y− − − x. (5) 3 2 a dt a a a dt dt

d 3x

Схема устройства, моделирующего это уравнение, будет иметь вид, показанный на рис.15.

26

Рис.15. Схема устройства, моделирующего уравнение 3-го порядка 3. Описание компьютерного лабораторного стенда

Исследование типовых звеньев радиоавтоматики в данной лабораторной работе производится на схемах звеньев, собранных и функционирующих на основе программы Electronics Workbench 512 (EWB). Как известно, программа Electronics Workbench 512 позволяет производить перестройку исследуемой схемы, изменение параметров содержащихся в ней элементов, подключение к различным точкам схемы различных измерительных приборов (из комплекта имеющихся в программе) и т.д. Студенту, выполняющему данную лабораторную работу, однако, разрешается использовать далеко не все возможности программы Electronics Workbench 512, а только те, которые необходимы и достаточны для достижения цели работы. Так, студенту запрещается: • изменять конфигурацию принципиальной электрической схемы исследуемого звена; • изменять виды и типы содержащихся в схеме элементов, добавлять новые и исключать имеющиеся; • использовать измерительные приборы, не указанные в тексте лабораторной работы; • устанавливать значения величин элементов, не соответствующие указанным в таблицах. В данной лабораторной работе исследованию подлежат четыре типа звеньев : усилительное, интегрирующее, апериодическое и колебательное. Соответственно в программе содержатся четыре файла, загрузка каждого из которых обеспечивает изображение на экране монитора соответствующей принципиальной электрической схемы звена и возможность его исследования. При выполнении данной лабораторной работы студент должен руководствоваться указаниями, содержащимися в данном документе и выводимыми на экран монитора программой.

27

4. Порядок выполнения

Раскрыть на диске C (или D) папку “Dep2”, затем запустить загрузочный файл “Dep2.exe” (имеющий иконку в виде компакт-диска). 4.1. Исследование усилительного звена 1. В открывшемся меню “Лабораторная работа” нажать кнопку “Усилительное звено”; прочитать внимательно пояснительный текст. 2. Нажать кнопку “Пуск” в нижнем левом углу экрана. В открывшемся меню “Windows 98” пройти указателем мыши последовательно путь “Программы → Electronics Workbench → Electronics Workbench” и открыть программу “ Electronics Workbench”. 3. В появившемся окне “ Electronics Workbench” пройти указателем мыши путь “File → Open → диск С (или D) → папка “Dep2” → файл “usl.ewb”; раскрыть этот файл (двойным щелчком левой кнопки мыши). 4. Откроется рабочий стол “Electronics Workbench”, на котором через несколько секунд появится принципиальная схема усилительного звена. Установить размер схемы “50 %”. Ознакомиться с этой схемой. 5. Выписать из табл.1 по последней и предпоследней цифрам своего шифра значения сопротивлений резисторов RВХ и RОС ; зарисовать в отчет схему звена с используемыми измерительными приборами. 6. Рассчитать по формуле (2) значение передаточной функции усилителя, записать результат в отчет. 7. Навести указатель мыши точно на изображение резистора RВХ , указатель мыши при этом из стрелки превратится в кисть руки. Дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, откроется окно “Resistor Properties”. Выбрать в окне вкладку “Value” (щелкнув мышью по ее ярлыку). В строке “Resistance (R) :” установить величину резистора RВХ, равную определенной вами по табл.1 , и щелкнуть мышью по кнопке “ ОК”. 8. Навести указатель мыши на изображение резистора RОС, дважды щелкнуть левой кнопкой мыши и в строке “Resistance (R):” окна “Resistor Properties” установить его величину, равную определенной по табл.1; щелкнуть мышью по кнопке “ОК”. 9. Щелкнуть левой кнопкой мыши по цифре 1 на изображении переключателя, находящегося в правом верхнем углу рабочего стола, подав тем самым питание на собранную схему; подавать на вход усилителя последовательно переменное напряжение частоты F1 величиной U ВХ 1 …U ВХ 5 (значения F1 и U ВХ 1 …U ВХ 5 выбрать из табл. 1 по последней цифре шифра); измерять вольтметрами значения U ВХ и соответствующие значения U ВЫХ ; результаты измерений записать в отчет. 10. Рассчитать для пяти значений U ВХ значения передаточной функции усилителя (в соответствии с формулой (2)); результаты записать в таблицу; сопоставить эти результаты с значением передаточной функции, определенным в п. 6. 28

11. Подать на вход усилителя переменное напряжение величиной 100 мВ частоты 100 Гц ; изменяя ступенчато частоту напряжения до 1 MГц (так, чтобы получилось 10 отсчетных точек), снять амплитудно-частотную характеристику усилителя, контролируя форму и величину входного и выходного напряжений вольтметрами и двухканальным осциллографом; зарисовать характерные осциллограммы (например, при появлении искажений формы выходного напряжения); построить в отчете амплитудно-частотную характеристику усилителя. 12. Выключить питание схемы, закрыть файл, не сохраняя изменений в нем. 4.2. Исследование интегрирующего звена 13. В открывшемся меню “Лабораторная работа” нажать кнопку “Интегрирующее звено”. Прочитать внимательно пояснительный текст. 14. Повторить п. 2. 15. В появившемся окне “ Electronics Workbench” пройти указателем мыши путь << File → Open → диск С (или D) → папка “Dep2” → файл “int.ewb”>>; раскрыть этот файл (двойным щелчком левой кнопки мыши). 16. Откроется рабочий стол “Electronics Workbench”, на котором появится принципиальная схема интегрирующего звена. Установить размер схемы “50 %”. Ознакомиться с этой схемой. 17. Выписать из табл.2 по последней и предпоследней цифрам своего шифра значения сопротивления резистора RВХ и емкости конденсатора CОС ; зарисовать в отчет схему звена с используемыми измерительными приборами. 18. Рассчитать по формуле k = 1 /( RВХ ⋅ CОС ) значение передаточной функции интегрирующего звена, записать результат в отчет. 19.Установить величины RВХ и CОС, равными определенным по табл.2. 20. Включить питание схемы; используя переключатель SA1 для подачи на вход звена единичного (ступенчатого) напряжения и контролируя реакцию звена с помощью двух каналов осциллографа, снять (зарисовать точно !) переходную характеристику звена в соответствии с уравнением переходной функции интегрирующего звена h(t) = kt. Повторить операцию два – три раза. 21. Повторить п.20, сначала уменьшив величину CОС в два раза по отношению к исходной, а затем – увеличив в два раза. Результаты измерений свести в таблицу, сделать выводы. Выполнить п. 12. 4.3. Исследование апериодического звена 22. В открывшемся меню “Лабораторная работа” нажать кнопку “Апериодическое звено”. Прочитать внимательно пояснительный текст. 23. Повторить п. 2. 24. В появившемся окне “ Electronics Workbench” пройти указателем мыши путь << File → Open → диск С (или D) → папка “Dep2” → файл “apr.ewb” >>; раскрыть этот файл (двойным щелчком левой кнопки мыши).

29

25. Откроется рабочий стол “Electronics Workbench”, на котором появится принципиальная схема апериодического звена. Установить размер схемы “50 %”. Ознакомиться с этой схемой. 26. Выписать из табл.3 по последней и предпоследней цифрам своего шифра значения сопротивлений резисторов RВХ , RОС и емкости конденсатора C ; зарисовать в отчет схему звена с используемыми измерительными приборами. 27. Рассчитать по формуле k = RОС / RВХ значение коэффициента передачи k апериодического звена, записать результат в отчет. 28. Установить величины RВХ , RОС и C равными определенным по табл. 3. 29. Включить питание схемы; используя переключатель SA1 для подачи на вход звена единичного (ступенчатого) напряжения и контролируя реакцию звена с помощью двух каналов осциллографа, снять (зарисовать точно !) переходную характеристику звена в соответствии с уравнением переходной функции апериодического звена h(t ) = 1(t ) ⋅W (s) . 30. Повторить п.29 два раза, сначала уменьшив величину RОС в два раза по отношению к исходной, а затем – увеличив в два раза. Результаты измерений свести в таблицу, сделать выводы. Выполнить п. 12. 4.4. Исследование колебательного звена 31. В открывшемся меню “Лабораторная работа” нажать кнопку “Колебательное звено”. Прочитать внимательно пояснительный текст. 32. Повторить п. 2. 33. В появившемся окне “Electronics Workbench” пройти указателем мыши путь << File → Open → диск С (или D) → папка “Dep2” → файл “uuu.ewb”>>; раскрыть этот файл (двойным щелчком левой кнопки мыши). 34. Откроется рабочий стол “Electronics Workbench”, на котором появится принципиальная схема колебательного звена. Установить размер схемы “50 %”. Ознакомиться с этой схемой. 35. Выписать из таблицы 4 по последней и предпоследней цифрам своего шифра значения сопротивлений резисторов R , R1, R2, K1, K2, K3 и емкостей конденсаторов C1 и С2 ; зарисовать в отчет схему звена с используемыми измерительными приборами. 36. Рассчитать три значения коэффициента затухания (используя величины, заданные преподавателем); записать результат в отчет. 37. Установить величины сопротивлений и емкостей соответствующими первому варианту коэффициента затухания. 38. Включить питание схемы; используя переключатель SA1 для подачи на вход звена единичного (ступенчатого) напряжения и контролируя реакцию звена с помощью двух каналов осциллографа, снять (зарисовать точно !) переходную характеристику звена. 39. Установить величины сопротивлений и емкостей соответствующими второму варианту коэффициента затухания. Повторить п.38. 30

40. Установить величины сопротивлений и емкостей соответствующими третьему варианту коэффициента затухания. Повторить п.38. 41. По кривым переходных процессов определить для каждого значения коэффициента затухания ξ величину перерегулирования и частоту собственных колебаний. Выполнить п. 12.

5. Содержание отчета Отчет должен содержать : 1) наименование работы; 2) цель работы; 3) краткую запись основных теоретических положений; 4) схемы четырех исследуемых звеньев; 5) результаты исследований в форме таблиц , графиков переходных характеристик; 6) выводы по результатам исследований.

Литература : [ 1 ], c. 16 . . .20; [ 2 ], c. 47 . . .51.

РАБОТА 5 Исследование системы автоматического слежения по направлению ( компьютерный вариант ) 1. Цель работы

Приобретение практических навыков исследования характеристик измерителей угловых координат в диалоговом режиме с персональным компьютером. Ознакомление с методом измерения угловых координат. 2. Описание компьютерной лабораторной работы

Особенностью данной лабораторной работы является следующее : 1) в ходе ее выполнения студент достаточно подробно знакомится с функциональной схемой одного из видов измерителей угловых координат объектов, с особенностями, достоинствами и недостатками подобных систем; 2) интерактивный характер программы проявляется в том, что студент выполняет с помощью программы расчет диаграммы направленности двухлучевой антенны исследуемой системы и определяет ее угол захвата объекта слежения; 3) для закрепления изученного в ходе выполнения работы материала студент отвечает на 10 контрольных вопросов и получает определенную оценку; 4) данная программа была выполнена на языке программирования “ Турбо Паскаль”, который не позволяет оперативно перемещаться по ней назад или вперед (т.е. здесь отсутствует “полоса прокрутки”). Поэтому студент должен очень внимательно выполнять все указания программы, не допускать ошибок, чтобы 31

не возникла необходимость возврата на один или несколько кадров. 3. Порядок выполнения

1. Раскрыть на диске D папку “Variant”, затем запустить файл “Rtsch2”, откроется кадр с наименованием лабораторной работы. Записать наименование работы в отчет и нажать (на клавиатуре) клавишу < Enter> или <Пробел>. 2. В открывшемся меню “RTSCH2” установить маркер на раздел “Общие сведения” и нажать < Enter> . 3. Последовательно переключая кадры (нажатием < Enter> или <Пробел> ), прочитать внимательно текст раздела, записать в отчет цель работы, основные теоретические положения (кратко), определения основных понятий, зарисовать классификацию методов измерения угловых координат (рис. 1). Особое внимание обратить на описание суммарно-разностного метода, поскольку именно этот метод будет подробно исследоваться в лабораторной работе. Записать в отчет рекомендуемую литературу. Нажать < Enter> или <Пробел>. 4. В открывшемся меню навести маркер на раздел “Амплитудный”, нажать < Enter> . 5. Последовательно переключая кадры, прочитать внимательно основные теоретические положения амплитудного суммарно-разностного моноимпульсного метода; зарисовать в отчет приводимые схемы, диаграммы направленности; записать назначение функциональных блоков соответствующей системы, определение понятий, используемую терминологию, приводимые формулы. Особое внимание обратить на конструкцию и характеристики используемой антенны и суммарно-разностного моста (СРМ). Завершив изучение раздела, нажать < Enter> . 6. В открывшемся меню навести маркер на раздел “Расчетная часть”, нажать < Enter>. 7. Последовательно переключая кадры, записать в отчет наименование и цель раздела, прочитать внимательно описание задачи исследования и методику его выполнения; по двум последним цифрам шифра выбрать и записать в отчет значения двух исходных параметров угломера. Обратить внимание на то, что в этом разделе для управления программой иногда используется клавиша < Esc >. 8. Выполнить вычисления по формулам (3) и (4), записывая результаты в отчет; перенести, соблюдая масштаб, график с диаграммой направленности в отчет; записать в отчет формулу (5) и рассчитать по ней изменение крутизны диаграммы направленности антенны; зарисовать в отчет под графиком диаграммы направленности антенны полученный график изменения ее крутизны; определить на диаграмме направленности точку, соответствующую ее максимальной крутизне ; записать в отчет это значение. 9. Используя клавиши <←> и <→> , поставить на экране монитора два одинаковых изображения диаграммы направленности таким образом, чтобы 32

они пересекались внутренними склонами в точке, соответствующей ее максимальной крутизне. Зарисовать в отчет полученный график, соблюдая масштаб. 10. Используя полученный рисунок, произвести на нем построения, позволяющие определить (по уровню 0,9 ) угол захвата ( 2α ) данной антенной системы. Записать в отчет полученную величину угла 2α. Для выхода из раздела нажать < Enter >. 11. В открывшемся меню навести маркер на раздел “Контролирующая часть”, нажать < Enter >. Ответить на 10 контрольных вопросов путем выбора одного из трех предлагаемых альтернативных ответов. (Выбор ответа осуществляется последовательным нажатием клавиши с соответствующей цифрой (1, 2 или 3 ) и < Enter >.) Свои ответы на вопросы и общий результат записать в отчет. Нажать < Enter >. 12. В открывшемся меню навести маркер на “Выход”, нажать < Enter >. 4. Содержание отчета

Отчет должен содержать : 1) наименование работы; 2) цель работы; 3) краткую запись основных теоретических положений; классификацию методов измерения угловых координат (с указанием исследуемого); особенности, достоинства и недостатки амплитудного суммарно-разностного моноимпульсного метода измерения угловых координат объектов; 4) полную функциональную схему соответствующей системы с кратким описанием ее; 5) ход выполнения раздела “Расчетная часть” и полученный результат; 6) ответы на контрольные вопросы и полученную оценку; 7) ваши выводы и предложения по данной работе. Литература : [ 3 ], c.19 . . .23.

РАБОТА 6 а Исследование нелинейной автоколебательной системы радиоавтоматики ( компьютерный вариант ) 1. Цель работы

Определение частоты и амплитуды автоколебаний, возникающих в нелинейной двухзвенной системе, расчетно-графическим и электронным способами.

33

2. Описание компьютерного лабораторного стенда

Компьютерный лабораторный стенд состоит из двух частей: принципиальной электрической схемы двухзвенной нелинейной системы, выполненной с помощью программы Electronics Workbench 512, и сопроводительного текста с рисунками, содержащего необходимые для выполнения лабораторной работы разделы (основные теоретические положения, расчетная часть, экспериментальная часть и т.д.) и выполненного с помощью программы Word и таблиц Excel. Расчетно-графическое определение параметров автоколебаний, возникающих в нелинейной системе, в лабораторной работе производится путем использования приближенного метода гармонической линеаризации в форме Гольдфарба. Экспериментальное определение параметров автоколебаний производится путем включения в работу схемы нелинейной системы, отображаемой на экране монитора, и проведения ряда электрических измерений на ней с помощью приборов, имеющихся в составе программы Electronics Workbench 512. Как известно, программа Electronics Workbench 512 позволяет производить перестройку исследуемой схемы, изменение параметров содержащихся в ней элементов, подключение к различным точкам схемы различных измерительных приборов (из комплекта имеющихся в программе) и т.д. Студенту, выполняющему данную лабораторную работу, однако, разрешается использовать далеко не все возможности программы Electronics Workbench 512, а только те, которые необходимы и достаточны для достижения цели работы. Так, студенту запрещается: • изменять конфигурацию принципиальной электрической схемы нелинейной системы; • изменять виды и типы содержащихся в схеме элементов, добавлять новые и исключать имеющиеся; • использовать измерительные приборы, не указанные в тексте лабораторной работы; • устанавливать значения величин элементов, не соответствующие указанным в таблицах. При выполнении данной лабораторной работы студент должен руководствоваться указаниями, содержащимися в данном документе и выводимыми на экран монитора программой. 3. Порядок выполнения

1. Раскрыть на диске С папку “Dep”, затем запустить загрузочный файл “Dep” (имеющий иконку в виде компакт-диска). 2. В открывшемся меню “Лабораторная работа” нажать кнопку “Теория”. Прочитать внимательно п.2 “ Основные теоретические положения” с целью уяснения сути метода гармонической линеаризации. Записать в отчет (с пояснениями) все формулы, зарисовать рис.1 – 4. Обратить особое внимание на 34

рекомендации к построению расчетных кривых и определению по ним частоты и амплитуды автоколебаний. 3. Нажатием в верхней строке окна значка × закрыть раздел “Теория”. 4. В появившемся снова меню нажать кнопку “Расчетная часть”; в открывшемся файле прочитать пункт “Расчетная часть”, затем по последней цифре своего шифра выбрать из табл.1 и записать в отчет значения для вашего варианта сопротивления внешней нагрузки нелинейного элемента (усилителя) – Rн и сопротивлений фазосдвигающих цепочек линейного элемента R. 5. Зарисовать в отчет график, приведенный на рис. 5 (представляющий собой амплитудную характеристику нелинейного элемента системы при различных значениях внешней нагрузки Rн до начала ограничения выходного сигнала). 6. Определить по этому графику значение амплитуды входного сигнала Uвх , при котором при выбранном вами значении сопротивления Rн начинается ограничение выходного сигнала нелинейного элемента Uвых ; записать в отчет значение Uвх (обозначив его символом “a ” ) и Uвых ; определить коэффициент усиления нелинейного элемента К как отношение Uвых / Uвх или как tgϕ, записать в отчет величину К . Нажав в верхней строке окна значок _ , свернуть (а не закрыть) раздел “Расчетная часть”. 7. В открывшемся меню нажать кнопку “Экспериментальная часть”. В открывшемся файле внимательно прочитать п.1 и ознакомиться со схемой двухзвенной нелинейной системы. Закрыть раздел нажатием в верхней строке экрана значка ×. 8. Нажать кнопку “Пуск” в нижнем левом углу экрана. В открывшемся меню “Windows 98” пройти указателем мыши последовательно путь << Программы → Electronics Workbench → Electronics Workbench >> и открыть программу “ Electronics Workbench”. 9. В появившемся окне “ Electronics Workbench” пройти указателем мыши путь << File → Open → диск С → папка “Dep” → файл “revin.ewb”>>; раскрыть этот файл (двойным щелчком левой кнопки мыши). 10. Откроется рабочий стол “Electronics Workbench”, на котором через несколько секунд появится принципиальная схема исследуемой нелинейной системы, отличающаяся от схемы, предъявленной в предыдущем разделе наличием источников питания, трех переключателей и двух измерительных приборов. Установить размер схемы “50 %”. Ознакомиться с этой схемой. 11. Навести указатель мыши точно на изображение резистора R6 (внешнюю нагрузку операционного усилителя), - указатель мыши при этом из стрелки превратится в кисть руки. Дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, - откроется окно “Resistor Properties”. Выбрать в окне вкладку “Value” (щелкнув мышью по ее ярлыку). В строке “Resistance (R) :” установить величину резистора R6, равную определенной вами по табл.1 величине резистора Rн , и щелкнуть мышью по кнопке “ ОК”.

35

12. Навести указатель мыши на изображение резистора R2 (первого слева резистора в трехзвенной RC- цепи), дважды щелкнуть левой кнопкой мыши и в строке “Resistance (R):” окна “Resistor Properties” установить его величину, равную определенной по табл.1 величине резистора R; щелкнуть мышью по кнопке “ОК”. 13. Повторить п.12 для установки значений резисторов R5 и R7 (второго и третьего в трехзвенной RC- цепи). 14. Навести указатель мыши на изображение переключателя SA1 (кнопки мыши при этом не нажимать) и нажать один раз клавишу “Пробел” на клавиатуре, движок переключателя перейдет в верхнее по схеме положение (цепь от генератора до входа RC-цепочки разомкнется). 15. Действуя таким же образом с переключателями SA2 и SA3, перевести их движки в правое по схеме положение. В результате выполнения п. 14 и 15 схема нелинейной системы будет замкнута в кольцо и готова к работе. 16. Навести указатель мыши на изображение осциллографа и дважды щелкнуть левой кнопкой, изображение осциллографа увеличится и займет неопределенное место на столе. Зацепить осциллограф мышкой в любой точке верхней строки и передвинуть на удобное место. Если щелкнуть по кнопке “Expand”, изображение осциллографа займет почти весь стол. 17. Щелкнуть левой кнопкой мыши по цифре 1 на изображении переключателя, находящегося в правом верхнем углу рабочего стола, подав тем самым питание на собранную схему. Через несколько секунд на экране осциллографа появится изображение автоколебаний, возникших в нелинейной системе. 18. Для измерения параметров автоколебаний установить органы управления осциллографа в оптимальные положения, а именно: 1) переключатель периода развертки луча (Time base) – в положение, при котором на экране будут наблюдаться одновременно 2 – 3 периода колебаний; 2) переключатель уровня сигнала (Channel A) – в положение, при котором изображение автоколебаний будет занимать 70 – 80 % от высоты экрана осциллографа . (Для остановки движущегося изображения автоколебаний щелкнуть мышью по кнопке “Pause”, расположенной под выключателем питания. Эту операцию повторить несколько раз, добиваясь наилучшего расположения осциллограммы на экране.) Для облегчения измерений желательно совместить верхний или нижний уровень сигнала с ближайшей горизонтальной линией масштабной сетки, имеющейся на экране, а начало какого-либо периода – с ближайшей вертикальной линией масштабной сетки. (Изменение положения осциллограммы по горизонтали и по вертикали относительно масштабной сетки осуществляется с помощью маленьких сдвоенных кнопок, расположенных под соответствующими переключателями.) 19. Произвести измерение длительности одного периода автоколебаний и их величины (двойной амплитуды осциллограммы), используя для этого красный и синий визиры, имеющиеся на экране осциллографа, показания на правом цифровом индикаторе и установленные на переключателях цены делений. Записать результаты измерений в отчет. Определить частоту автоколебаний 36

как величину, обратную их периоду. Записать частоту автоколебаний в отчет. 20. Последовательными щелчками по кнопке “Reduce” и по значку × уменьшить размер осциллографа до исходного (в схеме). Щелкнув по цифре 0 на изображении переключателя в правом верхнем углу рабочего стола, выключить питание схемы. Нажатием на значок × в окне “ Electronics Workbench” закрыть раздел “Демонстрационный стенд”. 21. В открывшемся меню нажать кнопку “Расчетная часть”. В открывшемся файле перейти сразу на вторую страницу текста; прочитать абзац, начинающийся словами “Задаваясь отношением А / а . . .”. 22. Выбрать 5 значений отношения А / а в пределах от 1 до 5, записать их в отчет. Записать в отчет формулу (11) и выражение “ α = arc sin a /A ”. 23. Щелкнув мышью по ссылке “Таблица.x1”, открыть табл.1. Заполнить в верхней строке таблицы ячейки столбцов B – F значениями отношения a / A (обратными выбранным значениям отношения A /a). Ввести в строке 15 в желтую ячейку определенное вами значение коэффициента усиления К усилителя. 24. После этого программа произведет необходимые вычисления и заполнит числами остальные ячейки таблицы. Эти числа необходимы для построения обратной характеристики нелинейного элемента –1 /W(A)нэ. Переписать данные таблицы 1 полностью в отчет. Щелкнув по значку × , закрыть таблицу 1, не сохраняя в ней сделанные вами изменения. Примечания : 1. Для ввода числа в ячейку таблицы нужно установить в ячейке крестообразный курсор и дважды щелкнуть левой кнопкой мыши,ячейка будет заключена в черную рамку и в ней появится мигающий курсор. 2. При вводе числа в ячейку десятичная запятая набирается именно запятой, а не точкой. 3. После набора числа в каждой ячейке нажать < Enter >. 25. Прочитать в этом же разделе абзац, начинающийся словами: “ Задаваясь значениями частоты гармонического сигнала . . .”. Щелкнув мышью по ссылке “Таблица 2”, открыть табл.2. Выбрать для расчета в диапазоне 200 – 5000 Гц 11 частотных точек (например, таких: 200, 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000 Гц). 26. Руководствуясь заготовкой таблицы, заполнить в ней строки 3 – 13 столбца A. В результате получить 11 точек для построения амплитудо-фазочастотной характеристики (годографа) линейного элемента -W(jω)ЛЭ . Переписать табл.2 полностью в отчет. Щелкая по значкам × , закрыть сначала табл.2, не сохраняя сделанные в ней вами изменения, затем – раздел. 27. В открывшемся меню нажать кнопку “Теория” и еще раз рассмотреть рис.4 и прочитать рекомендации к построению на одной комплексной плоскости двух кривых и определению по ним частоты и амплитуды автоколебаний. Закрыть раздел, выйти из программы. 28. Построить в отчете, на одной комплексной плоскости, характеристики нелинейного и линейного элементов системы, определить с их помощью 37

частоту и амплитуду возникающих автоколебаний; записать эти величины в отчет. 4. Содержание отчета

Отчет должен содержать : 1) наименование работы, 2) цель работы, 3) краткое описание метода гармонической линеаризации (с формулами и рисунками), 4) функциональную схему двухзвенной нелинейной системы (с переключателями и измерительными приборами), 5) статическую характеристику нелинейного элемента ( Uвых = f [Uвх ] ), 6) табл.1 с расчетом обратной характеристики нелинейного элемента ( - 1 / W(A)нэ ), 7) табл.2 с расчетом амплитудо-фазо-частотной характеристики линейного элемента (W(jω)лэ ), 8) построение на комплексной плоскости характеристик - 1 / W(A)нэ и W(jω)лэ и определение по ним частоты и амплитуды автоколебаний, 9) результаты экспериментального определения частоты и амплитуды автоколебаний (с рисунком, поясняющим процесс измерений), 10) выводы. Литература : Радиоавтоматика: Методические указания к выполнению лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2004. – с.38.

РАБОТА 6 б Исследование нелинейной автоколебательной системы радиоавтоматики (лабораторный вариант) 1. Цель работы

Ознакомление с методом гармонической линеаризации. Определение частоты и амплитуды автоколебаний, возникающих в нелинейной двухзвенной системе, расчетно-графическим и электронным способами. 2. Основные теоретические положения

Идея метода гармонической линеаризации заключается в том, что для определения параметров автоколебаний приближенным способом в силу фильтрующих свойств системы можно принимать во внимание только основную гармонику. Для пояснения метода рассмотрим систему, состоящую из линейного ЛЭ и нелинейного НЭ элементов (рис.16, а).

38

Рис. 16. Нелинейная система из двух элементов Разомкнем систему и проследим прохождение гармонического сигнала через нее. Если на вход НЭ разомкнутой системы (рис.16, б) подадим гармонический сигнал x1 = Asinωt, (6) то на выходе этого элемента x2 = ϕ(x1) = ϕ(Asinωt). (7) Эта функция является периодической и может быть разложена в ряд Фурье. Если подавить в линейном элементе все гармоники, кроме первой, то на выходе его будет синусоидальный сигнал с амплитудой А1о. Тогда для однозначных симметричных нелинейных характеристик вместо (2) можем записать x2 ≅ А1sinω1t, (8) где

2π

А1 = 1/π ∫ϕ(Asinω1t)sinω1t d(ω1t) — 0

(9)

амплитуда первой гармоники. Если систему замкнуть, то сигнал на выходе линейного элемента будет о равен сигналу на входе нелинейного элемента, т.е. x1 = x; A = A1 ; следовательно, можно записать отсюда

x = Asinω1t, sinω1t = x/A.

(10)

Подставляя (10) в (8), получим линейное уравнение безынерционного звена

ϕ(x) = x2 ≅ (A1/A) x = q(A) x,

(11) где q(A) = A1/A — гармонический (или комплексный) коэффициент усиления нелинейного элемента. Из уравнения (11) можно вывести передаточную функцию гармонически линеаризованного нелинейного элемента W(A)нэ = x2(s)/x(s) = q(A). (12) 39

Передаточная функция разомкнутой нелинейной системы

W(s) = W(s)лэ ⋅ W(A)нэ.

(13)

Передаточная функция замкнутой системы:

Ф(s) = W(s)/(1+W(s)).

(14) Отсюда характеристическое уравнение гармонически линеаризованной системы W(s)+1 = W(s)лэ ⋅ W(A)нэ+1 = 0. (15) Для решения уравнения (15) прежде всего следует найти выражение передаточной функции W(A)нэ для заданной нелинейной характеристики. Так как W(A)нэ = q(A) = A1/A, то выражение W(A)нэ для однозначных характеристик можно вывести из формулы (9). Однако здесь следует учесть, что для различных нелинейных характеристик (с насыщением, с зоной нечувствительности и т.д.) аналитические выражения функций ϕ(Asinω1t) различны. Так, например, для однозначной нелинейной характеристики с насыщением (рис.17, а) передаточная функция нелинейного элемента 2π

(A)нэ = 1/πA ∫x2sinω1+d(ωt) = 4k/π (α/2 – sin2α/4 + acosα/A), (16) 0

где k = tgϕ — коэффициент усиления нелинейного элемента, α = arcsin a/A. График такой функции приведен на рис.17, б.

Рис.17. Характеристики нелинейного элемента : а) амплитудная, б) передаточная функция Для решения уравнения вида (15) советский ученый Л.С.Гольдфарб предложил графоаналитический метод, основанный на построении и анализе взаимного расположения характеристик W(jω)лэ и (-1/W(A)нэ) на комплексной плоскости. 40

Заменив в выражении (15) комплексную переменную s на комплексную частоту jω, перепишем это уравнение в таком виде: W(jω)лэ = -1/W(A)нэ , (17) где годограф левой части есть частотная АФХ линейного элемента, а годограф правой части — отрицательная амплитудная характеристика нелинейного элемента. Расположение этих кривых на комплексной плоскости для системы, нелинейный элемент которой имеет однозначную статическую характеристику с насыщением, представлено на рис. 18. Для удобства построения кривую -1/W(A)нэ строят в относительных единицах A/a, т.е. как 1/W(A/a)нэ, что позволяет совместить масштабы для обеих кривых. Точка пересечения этих кривых соответствует решению уравнения (15) и определяет наличие автоколебаний в системе (рис.18). Если кривые не пересекаются, то решения уравнения не существует и автоколебания в системе невозможны. Точка пересечения характеристик позволяет судить по кривой W(jω)лэ о частоте колебаний, а по кривой -1/W(A/a)нэ - об их амплитуде.

Рис. 18. Пример взаимного расположения характеристик линейного и нелинейного элементов системы 3. Описание экспериментальной установки

Лабораторная установка представляет собой автогенератор с трехзвенной фазосдвигающей цепью, который можно рассматривать как нелинейную систему, состоящую из двух элементов : нелинейного – электронного усилителя переменного тока и линейного – фазосдвигающей пассивной RC-цепи. Схема лабораторной установки приведена на рис.19. Функциональная схема нелинейной системы представлена на рис.16. Усилительные каскады системы выполнены на операционных усилителях К140УД5А. 41

Рис.19 . Варианты включения элементов лабораторной установки 4. Порядок выполнения работы

1. Снять статическую характеристику нелинейного элемента. Для этого: 1) собрать схему по рис.19,а; на макете поставить тумблер ручкой вниз (разъединить элементы); 2) на генераторе установить значение частоты f = 2000 Гц, “Регулятор выхода” – против часовой стрелки до упора; 3) включить питание лабораторной установки; 4) изменяя величину сигнала на входе НЭ от нуля до Uвх = a (a – минимальное значение входного сигнала, при котором наступает ограничение выходного сигнала) и еще на две точки отсчета, снять статическую характеристику усилителя Uвых = ϕ (Uвх ) при f = 2000 Гц = const. Начало ограничения фиксируется по осциллографу. Значения напряжений измеряются с помощью двухканального осциллографа (при этом не забывать, что на экране осциллографа отображается двойная амплитуда гармонического сигнала ); 5) результаты измерений свести в таблицу по форме 12. По данным таблицы построить график статической характеристики и определить коэффициент усиления k . Форма 12

Uвх , мВ Uвых , В k= Uвых / Uвх

a=

42

2. Задаваясь различными значениями A/a и используя формулу (16), рассчитать передаточную функцию НЭ W(A/a)нэ и построить ее график. 3. Снять амплитудо-фазо-частотную характеристику ЛЭ. Для этого : 1) собрать схему по рис.19,б; на макете тумблер оставить в положении ручкой вниз; 2) на генераторе установить частоту f = 200 Гц, “Регулятор выхода” – по часовой стрелке до упора (т.е.подать на ЛЭ сигнал величиной не менее 10 В); 3) изменяя частоту генератора от 200 до 5000 Гц, снять амплитудночастотную Aвых / Aвх = F1(ω) и фазо-частотную ϕ = F2 (ω) характеристики ЛЭ. При этом измерения величин входного и выходного сигналов ЛЭ производить с помощью осциллографа, а измерения фазовых сдвигов между этими сигналами производить с помощью фазометра или двухканального осциллографа; 4) результаты измерений свести в таблицу по форме 13 ( A – амплитуда сигнала). Построить на комплексной плоскости по данным последнего и предпоследнего столбцов таблицы амплитудо-фазо-частотную характеристику ЛЭ. Построить на той же комплексной плоскости обратную характеристику НЭ -1/W(A/a)нэ (по результатам выполнения п. 2 , используя как образец рис. 4). Отметить точку пересечения этих характеристик. 4. Определить частоту и амплитуду автоколебаний в нелинейной системе расчетным путем. Частота автоколебаний определяется в точке пересечения построенных характеристик W(jω)лэ и -1/W(A/a)нэ (это значение частоты f при фазовом сдвиге ϕ = - 180°). f , Гц 200 500 700 1000 1100 1200 1300 1400 1500 3000 5000

ω , 1/с

А ВХ , В

А ВЫХ , В

АВЫХ /АВХ

Форма 13 ϕ , град

Для определения амплитуды автоколебаний найти значение характеристики -1/W(A/a)нэ в точке пересечения характеристик, затем для полученного значения определить по графику W(A/a)нэ значение относительной амплитуды n = A/a и рассчитать амплитуду автоколебаний A = na . Например, если пе43

ресечение характеристик происходит при значении -1/W(A/a)нэ = - 0,03, а этому значению соответствует отношение n = A/a = 2, то амплитуда автоколебаний A = na = 2 a . 5. Определить частоту и амплитуду автоколебаний в нелинейной системе экспериментально. Для этого: 1) собрать схему по рис.19,в. Тумблер на макете поставить ручкой вверх; 2) напряжение с выхода НЭ подать на вход канала 1; 3) переключить осциллограф в режим “ X – Y ”; 4) установить на генераторе частоту f =1000 Гц, подать сигнал с его выхода на вход канала 2; 5) включить питание и получить на экране осциллографа изображение прямоугольника; 6) изменяя частоту генератора в пределах 1000 – 2000 Гц, получить фигуру Лиссажу в виде круга, эллипса или прямой линии, наклоненной от вертикали примерно на 45°. Определить по положениям переключателей частоты генератора частоту автоколебаний, а по размеру фигуры на экране – амплитуду колебаний. Сравнить расчетные данные с экспериментальными. 5. Содержание отчета

Отчет должен содержать : 1) наименование работы; 2) цель работы; 3) краткую запись основных теоретических положений; 4) функциональные схемы лабораторного стенда (по рис.5); 5) статическую характеристику нелинейного элемента; 6) расчетную формулу характеристики НЭ; 7) заполненные формы 12 и 13; 8) построение характеристик элементов на комплексной плоскости и определение по ним параметров автоколебаний; 9) результаты эксперимента и сравнения; 10) выводы. Содержание Общие указания…………………………………………………………3 Библиографический список ………………………………………… 3 Работа 1. Исследование системы автоматической подстройки частоты (АПЧ)…………………………………………………………………..4 Работа 2. Исследование системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) …………………………………………………………10 Работа 3. Исследование импульсного радиодальномера с автоматическим сопровождением по дальности ………………………….18 Работа 4. Исследование типовых звеньев радиоавтоматики на электронной модели ………………………………………………………… 25 Работа 5. Исследование системы автоматического слежения по направлению (компьютерный вариант ) ……………………………….. 31 Работа 6а. Исследование нелинейной автоколебательной системы радиоавтоматики ( компьютерный вариант) ……………………………… 33 44

Работа 6б. Исследование нелинейной автоколебательной системы радиоавтоматики ( лабораторный вариант) ……………………………… 38

Редактор А.В. Алехина Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение N 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

__________________________________________________________________ Подписано в печать Б.Кн.-журн.

2004 Пл. 3,0

Б.л. 1,5

Тираж 100

Формат 60 x 84 1/16 РТП РИО СЗТУ

Заказ

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д.5

45