Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Лабораторный практикум (2-е изд., 2011)

УДК 621.396.01 Ц075.8) ББК 32.849 К12 Рецензенты: профессор Московского технического университета связи и информатики, доктор техн. наук В. А. Левин; заместитель директора по учебной работе Московского государственного колледжа информационных технологий 3. В. Литинская Каганов В. И.

К12 Радиотехнические цепи и сигналы, Лабораторный компьютеризированный практикум: Учебное пособие для средних профессиональных учебных заведений. — 2-е изд., доп. — Мл Горячая линия †Телек, 2011. — 154 ел ил. 18В1ь)978-5-9912-0200-8. Приведены 22 прикладные программы на основе увиверсальногоматематического пакета «Майсад» и анализируется работа 29 радиоэлектронных схем с помощью пакета программ «Е!еснощсз %ог1сЬепсЬ».

Программы позволяют производить компьютерный анализ сигналов, используемых в радиотехнике; моделировать с помощью компьютера линейные цепи сосредоточенного и распределенного типа и рассматривать протекающие в них процессы; моделировать и рассчитывать транзисторные усилители, автогенераторы, модуляторы и демодуляторы. С помощью настоящего учебного пособия студент сможет овладеть практическими навыками по моделированию, анализу и расчету с помощью компьютера основных типов радиотехнических цепей, лежащих в основе построения радиоэлектронных устройств. Второе издание дополнено возможностью скачивания описанных в книге программ с сайта издательства.

Для студентов средних профессиональных учебных заведений. ББК 32.849 Адрес издательства в Интернет нплъ«геспЬоой ги Учебное издание Каганов Вильям Ильич РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЪЮТЕРИЗИРОВАННЫЙ ПРАКТИКУМ Учебное пособие длн учреждений среднего профессионального образования. Корректор О. В. Сергеева Компьютерная верстка О. А.

Москвина Обложка художника В. Г. Ситникова Подписано в печать 08.08.11. Формат 60х88П6. Бумага офсетная. Уел. печ. л. 9,75. Тираж ЗОО экз. Изд. № 110200. 18В)ч1 978-5-9912-200-8 © В. И. Каганов, 2004, 2011 © Издательство «Горячая линия-Телеком», 2011 ПРЕДИСЛОВИЕ «Радиотехнические цепи и сигналы» являются базовой учебной дисциплиной в системе подготовки специалистов в области радиоаппаратостроения и радиоэлектроники. Целью самой дисциплины «Радиотехнические цепи н сигналы» является изучение основополагающих вопросов, связанных с генернрованием и преобразованиями сигналов и анализом процессов, протекающих в радиоэлектронных цепях разнообразного назначения.

Глубже усвоить и закрепить знания, полученные при изучении теоретического курса, можно только практическим путем с помощью соответствующего лабораторного практикума. Современный лабораторный практикум, выполняемый по учебной дисциплине «Радиотехнические цепи н сигналы», состоит из двух частей.

Первая часть включает анализ процессов, протекающих в радиотехнических цепях, с помощью компьютера; вторая — анализ тех же процессов на лабораторных стендах с помощью измерительных приборов. Предлагаемое учебное пособие посвящено первой части общего лабораторного практикума, т.е. компьютерному анализу, и тесно увязано с новым учебником «Радиотехнические цепи и сигналы» ~ Ц. С помощью предлагаемого лабораторного практикума учащийся сможет овладеть практическими навыками по моделированию, анализу и расчету с помощью компьютера основных типов радиотехнических цепей, лежащих в основе построения радиоэлектронных устройств.

В общей сложности в пособии рассматривается 22 прикладные программы на основе универсального математического пакета программ МатЬсаб и анализируется работа 29 схем с помощью пакета программ Е!есттоп1сз %огкЬепсЬ. Поэтому, приступая к выполнению лабораторного практикума в соответствии с настоящим пособием, студент должен знать правила по работе с данными универсальными программами, работающими в среде%1пбои з ~3-5~. Каждая из рассматриваемых лабораторных работ сопровождается соответствующим заданием по ее выполнению и примером расчета илн анализа схемы.

В зависимости от числа учебных часов, отпускаемых на лабораторный практикум, преподаватель сможет выбрать те из предложенных в учебном пособии программ и схем, которые он сочтет наиболее нужными. 3 ВВЕДЕНИЕ Дисциплина «Радиотехнические цепи и сигналы», как следует из ее названия, изучает две крупные проблемы, лежащие в основе радиотехники — сигналы и цепи. Оба эти направления представлены в настоящем учебном пособии. Причем их изучение проводится с помощью компьютера, позволяющего глубже понять и усвоить физическую сущность процессов, протекающих в радиотехнических цепях, и изучить структуру и свойства сигналов, применяемых в радиотехнике.

В этой связи цель настоящего учебного пособия состоит: в компьютерном анализе типовых сигналов, используемых в радиотехнике; в моделировании с помощью компьютера линейных цепей сосредоточенного типа, в том числе последовательного и параллельного колебательных контуров и фильтров, и в изучении протекающих в них процессов; в расчете с помощью компьютера параметров и характеристик линейных цепей распределенного типа — фидерных линий и волноводов; в моделировании с помощью компьютера нелинейных цепей— высокочастотного усилителя, автогенератора, смесителя, модуляторов и демодуляторов, и в изучении протекающих в них процессов. Пособие состоит из 10 глав.

В начале каждой главы дается краткое изложение теории по рассматриваемой теме, а затем приводятся конкретные прикладные программы с необходимыми пояснениями и примерами анализа и расчета по ним. Две первые главы посвящены спектральной теории периодических сигналов и одиночных импульсов различной формы. В гл. 3 — 5 рассматриваются процессы, протекающие в линейных цепях — интегрирующем и днфференцирующем звеньях, последовательном и параллельном колебательном контурах и нескольких типах фильтров. В гл. 6 дается компьютерный расчет цепей распределенного типа — фидерных линий и волноводов.

Компьютерному анализу нелинейных цепей — высокочастотному транзисторному усилителю, смесителю, ограничителю и автогенератору — посвящены гл. 7 и 8. В главе 9 приве- дены схемы модуляторов и спектры сигналов при разных видах модуляции — амплитудной, частотной, фазовой и импульсной, а в главе 10 с помощью компьютера изучаются процессы по демодуляции тех же сигналов. Часть приводимых в пособии компьютерных лабораторных работ основана на использовании универсального математического пакета программ МагЬсад, другая — пакета Е1ес1гоп1сз%ог1сЬепсЬ, позволяющего с помощью графического интерфейса воспроизвести на экране дисплея схему и подвергнуть ее всестороннему анализу.

Глава 1. ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 1.1. Основные определения Периодические сигналы описываются функцией: Ф(с) = Ф(с+ пс), (1.1) где Т = 22о'в — период колебаний; п — любое положительное или отрицательное целое число; в — круговая частота. Из (1.1) следует, что периодичность функции распространяется на интервал времени — < с < ° .

Такая периодическая функция может быть представлена в виде суммы ряда других функций. Наиболее часто для зтой цели используется ряд Фурье, составленный из тригонометрических функций и имеющий следующий вид в вещественной форме: п Ф(вс) = а, + , '(а,сов(1сас)+ Ъ„з1п(1свс)), (1.2) 2л где ао = — )Ф(вс)с)вс 22с о 1 2л а „= — )Ф (аг) сов(1саС) с1ас, 2С а 1 2л Ъ„= — ) Ф(ас)з1п(1свс)с)вс, 7с 0 а = 2л/Т вЂ” круговая частота. Функция Ф(вс), разлагаемая в ряд Фурье, должна быть ограниченной, кусочно-непрерывной и имеющей на протяжении периода конечное число экстремумов. Практически зги условия всегда выполняются. Поскольку и(ю!) = асов(ю!) + Ьз)п(ю!).= Ссоз(ю! — !р), где С = = 1аз + Ьз, !р = агота(Ь/а), то ряд (1.2) можно также представить в виде: Ф(оз!) = а, + ,'Г С„соз(1цо! - ср„), (1.3) 1=1 где С„= 3~а', + Ь'„— амплитуда; !р„= агс!я(Ь,/а„) — фаза; С„= С„е !'ь— комплексная амплитуда.

Совокупность модулей С„образует амплитудно-частотный спектр периодической функции Ф(оз!), а фаз оз„— фазочастотный. Амплитудный спектр является дискретным или линейчатым, в котором отдельные спектральные составляющие, определяемые значениям о = кю, следуют с интервалом, равным в = 2л/Т. 1.2. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов Периодическая функция состоит из импульсов прямоугольной формы амплитудой АМ, длительностью т и периодом повторения Т (рнс. 1.1).

На участке — и < го! < и данная функция 2(ю!)=АМпри !го!!<и, (1.4) Е(со!) = О при опг < ! оз! ! < и, где а = ъТ < 1 . Рис. !л Поскольку функция Е(оз1) четная, то синусные составляющие в разложении равны нулю. Программа на языке «Ма111сай» по расчету постоянной составляющей Ар и амплитуд гармоник А„приведена на рис. 1.2. В программе: х = рз1, Х вЂ” число гармоник, АР„= 20!й(А„/А1)— значение гармоники, выраженное в децибелах, относительно 1-й гармоники сигнала, Результаты расчета по программе при а = 0,1 и М = 20 приведены на том же рис.

1.2. По программе можно рассчитать гармоники и при любых других значениях параметров Х и а < 1 . При прямоугольных импульсах спектральные составляющие можно вычислить также по формуле, взяв интеграл для коэффициента а„ в (1.2): 2 2 сю7 А„= — )Ф (оэ1) соз(1сол) йо1 = — 1АМсоз1кю1) доз1 = ир н р (1.5) Согласно (1.5) при к = и/а, где и — целое число, гармоники с круговой частотой 21т и 2н 2лп и Оз„= 1са= к — = — = — или частотой Г„=— Т аТ т имеют значение амплитуды А„= О.