Лабораторная работа 2 анализ спектра периодических сигналов цель работы исследовать спектры амплитуд детерминированных сигналов
 Скачать 94.64 Kb.
|
|
Лабораторная работа № 2 АНАЛИЗ СПЕКТРА ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Цель работы: исследовать спектры амплитуд детерминированных сигналов. Подготовка к выполнению работы 1 Изучить по 1 и 2 спектральный состав периодической последовательности прямоугольных импульсов. 2 Рассчитать и построить спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов, если частота (frequency) в кГц, размах (amplitude), В равны номеру записи учащегося в учебном журнале, а длительность импульса (dutycycle) составляет 20% от периода. 3 Подготовить бланк отчета. 4 Подготовить ответы на вопросы для самопроверки. Вопросы для самопроверки1 Что называется спектром фаз? 2 Что называется спектром амплитуд? 3 Что называется скважностью импульсов? 4 Что называется частотой следования импульсов? 5 Какими свойствами обладают спектры негармонических периодических и негармонических непериодических сигналов? 6 Как зависит ширина спектра импульсной последовательности от скважности? 7 Чем определяется плотность спектральных линий в лепестке спектра импульсов? 8 В каком случае получается линейчатый спектр импульсного сигнала? 9 В каком случае получается сплошной спектр импульсного сигнала? 10 Что такое верхняя граничная частота спектра? 11 Что такое нижняя граничная частота спектра? 12 Каков спектр реального телефонного сигнала? 13 В чем заключается связь между временным и спектральным представлением сигнала? 14 Приведите формулу для расчета спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов. Аппаратное и программное обеспечение 1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер). 2 Графический манипулятор мышь. 3 Программа ElectronicsWorkbench 5.12. Порядок выполнения работы1 Ответить на вопросы программированного допуска. 2 Получить инструктаж по технике безопасности. ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие заземления устройств. 3 Включить персональный компьютер. Наблюдать выход компьютера в операционную среду Windows. 4 Открыть программу ElectronicsWorkbench 5.12, согласно каталогу D:\Work\EWB512\WEWB32.exe. Получить изображение стандартного окна программы. 5 Собрать схему для проведения исследований (рисунок 2.1). Соединить выход генератора со входом осциллографа. Для их соединения необходимо нажать левую клавишу манипулятора мышь в точке соединения в момент появления стрелки. Удерживая клавишу, перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпустить клавишу необходимо в момент появления другой точки в нужном месте соединения. Появляющаяся линия – подтверждение правильности соединения. 6 Измерить параметры периодического сигнала, для этого: 6.1 Щелкнуть два раза на изображение генератора на белом листе рабочего поля. Установить режим генерации прямоугольных импульсов, нажав на соответствующее изображение в раскрывшемся окне лицевой панели генератора. 6.2 Установить частоту (frequency), амплитуду (amplitude), длительность импульса (duty cycle) и постоянную составляющую (offset) сигнала на выходе генератора с помощью клавиатуры и манипулятора мышь согласно домашнему заданию (см. п. 2 раздела «Подготовка к выполнению работы»), изменяя эти данные в окошках напротив параметров в раскрывшемся окне лицевой панели генератора. Примечание 1: при работе в бригаде выбрать вариант одного из учащихся. Примечание 2: Длительность импульса (duty cycle) определяется в % как отношение длительности импульса к периоду следования импульсов (для сигналов импульсной формы!).  Рисунок 2.1 – Схема исследований 6.3 Включить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение I включателя  , расположенного в правом верхнем углу панели инструментов. 6.4 Щелкнуть два раза на изображение осциллографа, наблюдать временную диаграмму сигнала на экране осциллографа. 6.5 Щелкнуть на изображение Expand лицевой панели осциллографа. Наблюдать временную диаграмму на расширенном экране. 6.6 Щелчками манипулятора мышь установить на лицевой панели осциллографа переключателем «время на деление » (Time base) – время, соответствующее наблюдению 2 – 4 периодов колебания. 6.7 Установить переключателем «Вольт на деление» (V/div) удобный для наблюдения сигнала масштаб по оси амплитуд. Выключить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение 0 включателя, расположенного в правом верхнем углу панели инструментов. Зарисовать временную диаграмму сигнала в отчет. Подписать.6.8 Измерить время начала периода сигнала (Т1). Для этого установить визирную линию на начало периода импульсного сигнала, нажав левую клавишу манипулятора мышь на красном треугольнике 1. Переместить визирную линию на начало периода, удерживая ее и двигая манипулятор мышь по коврику. 6.9 Измерить время окончания периода импульсного сигнала (Т2). Установить синюю визирную линию 2 на конец периода, используя методику п.6.8 (см. рисунок 1.5). 6.10 Записать значения Т1, Т2 и периода Т в отчет. Расчитать частоту, определить скважность. 6.11 Измерить минимальное значение напряжения импульсного сигнала. Установить курсор манипулятора мышь на красном треугольнике 1 и, нажав клавишу манипулятора, перемещать визирную линию на минимальное значение амплитуды. Записать минимальное значение VA1 в отчет. 6.12 Измерить максимальное значение напряжения VA2 используя методику п.6.11 для синей визирной линии 2 (см. рисунок 1.6). Измерить размах Up=VA2-VA1 и рассчитать амплитуду. Данные занести в отчет. 7 Исследовать спектр амплитуд импульсного сигнала, для этого: 7.1 Нажать левой клавишей манипулятора мышь функцию Analysis вверху окна, а затем Fourier в раскрывшейся таблице. 7.2 Задать параметры анализа спектра: Fundamentalfrequency – частота следования ППИ (см. п. 6.2); Numberharmonics – количество гармоник – 20; Verticalscale – масштаб по вертикали, linear -– линейный. 7.3 Нажать функцию Simulate и подождать появления на экране спектральных диаграмм. Установить развернутый вид появившегося маленького окна, нажав левой клавишей манипулятора мышь функцию (развернуть) в правом верхнем углу окна. 7.4 Нажать левой клавишей манипулятора мышь функцию ToggleCursors в правом верхнем углу окна (рисунок 2.2). 7.5 Измерить амплитуды спектральных составляющих в пределах принятой ширины спектра с помощью визирных линий и таблицы «Magnitude (V)» (см. рисунок 2.3). Визирную линию перемещать за черный треугольник вверху, устанавливая ее на спектральную составляющую. Записывать значение х1– частоты, у1 – амплитуды спектральной составляющей из таблицы «Magnitude (V)» в отчет. 7.6 Зарисовать спектральные диаграммы в отчет, указав значения частот и амплитуд всех спектральных составляющих в пределах принятой ширины спектра. Сравнить спектр с ранее рассчитанным спектром в домашнем задании. Сделать выводы.  Рисунок 2.2 – Спектральная диаграмма импульсного сигнала  Рисунок 2.3 – Порядок измерения амплитуды и частоты гармонических составляющих спектра 8 Получить спектральные диаграммы амплитуд для последовательности прямоугольных импульсов с параметрами в таблице 2.1. Номер варианта соответствует номеру компьютера. 9 Зарисовать в отчет спектральные диаграммы амплитуд. 10 Выполнить п.6.4 – 7.6 для импульсов треугольной формы. 11 Выполнить п. 6.4 – 7.6 для колебаний синусоидальной формы. Таблица 2.1 – Исходные данные
12 Показать результаты выполнения работы преподавателю. 13 Сделать выводы. 14 Выключить оборудование. 15 Составить отчет по работе. Содержание отчета 1 Наименование и цель работы. 2 Аппаратное и программное обеспечение работы. 2 Схема исследований. 3 Результаты измерений и расчетов по пп. 6, 7, 9, 10, 11. 4 Выводы по работе. 5 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя). Контрольные вопросы 1 Как влияет скважность на спектр ППИ? 2 Как влияет изменение длительности импульсов на спектр ППИ? 3 Какие гармонические составляющие отсутствуют при скважности 4 в ППИ? 4 Как изменится спектр ППИ при изменении частоты следования импульсов? 5 Что изменится в спектре ППИ при изменении амплитуды импульсов? 6 Что происходит со спектром ППИ при изменении формы импульсов? 7 Для чего определяют спектры ППИ на практике? 8 Чем определяется ширина спектра ППИ? 9 Поясните, как определить ширину спектра по спектральной диаграмме ППИ. 10 Чему равна ширина спектров ППИ, исследуемых в работе? 11 В чем достоинства и недостатки программного метода анализа спектров? 12 Как изменяется спектр фаз при инверсии временной диаграммы сигнала? Содержание зачета Учащийся должен знать ответы на контрольные вопросы. Должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу, анализировать результаты измерений. Литература 1 Шинаков Ю. С., Колодяжный Ю. М. Теория передачи сигналов электросвязи. – М.: Радио и связь, 1989. – 288 с. 2 Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. – М.: Солон-Р, 1999. – 253 с. Краткие теоретические сведения Построение спектральной диаграммы сложных периодических сигналов рассмотрим на примере периодической последовательности прямоугольных импульсов (ПППИ).  Рисунок 5.1 – Временная диаграмма ПППИ. Ряд Фурье для периодической последовательности прямоугольных импульсов (ПППИ) имеет вид:  .Особенности спектра ПППИ: - спектр ПППИ линейчатый (дискретный) (представляется набором отдельных спектральных линий), гармонический (спектральные линии находятся на одинаковом расстоянии друг от друга ω1), убывающий (амплитуды гармоник убывают с ростом их номера), имеет лепестковую структуру (ширина каждого лепестка равна 2π/τ), неограниченный (интервал частот, в котором располагаются спектральные линии, бесконечен); - при целочисленных скважностях частотные составляющие с частотами, кратными скважности в спектре отсутствуют (их частоты совпадают с нулями огибающей спектра амплитуд); - с увеличением скважности амплитуды всех гармонических составляющих уменьшаются. При этом если оно связано с увеличением периода повторения Т, то спектр становится плотнее (ω1 уменьшается), с уменьшением длительности импульса τ – становится больше ширина каждого лепестка; - за ширину спектра ПППИ принят интервал частот, содержащий 95% энергии сигнала, (равен ширине двух первых лепестков огибающей):  или  ;- все гармоники, находящиеся в одном лепестке огибающей, имеют одинаковые фазы, равные либо 0 либо π. Спектральная диаграмма амплитуд периодической последовательности прямоугольных импульсов при скважности, равной четырем имеет вид:  Umn  Рисунок 2.4 – Спектральная диаграмма амплитуд ПППИ. |
%