Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗОНАНСНИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛИВАЛЬНИХ КОНТУРІВ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
РТ
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2010
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Поля і хвилі в системах ТЗІ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет “Львівська політехніка”
№3019 від 27.04.2010
ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗОНАНСНИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛИВАЛЬНИХ КОНТУРІВ
Методичні вказівки до лабораторної роботи №5з курсу
“Поля і хвилі в системах ТЗІ” для студентів базового напряму 6.170102 «Системи технічного захисту інформації»
Затверджено
на засіданні кафедри
“Захист інформації” протокол №14 від 18.02.2010 р.
Львів – 2010
Дослідження резонансних характеристик коливальних контурів: Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу “Поля і хвилі в системах ТЗІ” для студентів базового напряму 6.170102 «Системи технічного захисту інформації»
/ Укл. Ю.М. Костів, В.М. Іванюк, Л.М. Ракобовчук. - Львів: НУЛП, 2010. - 15 с.
Укладачі: Костів Ю.М., асистент
Іванюк В.М., асистент
Ракобовчук Л.М., канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск: Дудикевич В.Б., проф., д.т.н, зав.каф. Захисту інформації
Рецензент:
Максимович В.М., доктор техн. наук, проф.
Мета роботи - ознайомитись з роботою коливальних контурів, їх властивостями, здійснення за допомогою них безпосереднього зв’язку передавач-приймач.
1. Теоретичні відомості.
На рис.1а показаний лабораторний генератор Г (сигнал-генератор), за допомогою якого можна подавати високочастотні коливання різної частоти певної амплітуди, наприклад 1 мВ. Ці коливання подаються на коливальний контур LC за допомогою індуктивного зв'язку між котушками L1 і L2. До контуру підключаються прилади для вимірювання контурного струму і напруги на конденсаторі.
Частота власних коливань контуру fр вираховується з виразу:
. (1)
Якщо від генератора подавати електричні коливання різної частоти (але завжди напругою 1 мВ), помітимо, що на певній частоті (на рис. 1б,в - 500 кГц) контурний струм і напруга на конденсаторі сильно наростають, а на частотах вищих і нижчих від цієї частоти швидко зменшуються. На рис.1б,в це явище зображено графічно, а криві називаються частотними характеристиками коливального контуру.
Рис. 1. Схема дослідження електричного резонансу (а); залежність контурного струму від частоти (б); залежність напруги на конденсаторі від частоти (в).
Описане явище пояснюється наступним чином. За допомогою індуктивного зв'язку в котушці L індукується змінна е.р.с., що має частоту генератора. У результаті в контурі виникають так звані вимушені незатухаючі електричні коливання (контурний струм) з частотою генератора. У принципі ці коливання мають малу амплітуду, тобто змінна напруга на конденсаторі набагато менша від напруги генератора.
Коли частота генератора стає рівною до власної частоти коливального контуру, наступає явище резонансу. Воно характеризується тим, що контурний струм значний, і напруга на конденсаторі стає у багато разів більшою (приблизно в 120 - 150 разів) від напруги генератора. Отже, коливальний контур володіє так званою частотною вибірковістю і під час резонансу в багато разів збільшує напругу поданих на нього коливань. Чим більша добротність контуру, тим більше виражені ці властивості (рис. 2).
Рис. 2. Резонансні криві при різній добротності.
Потрібно зазначити, що добротність контуру залежить передусім від добротності котушки індуктивності, точніше від її опору втрат Rвт. Тому іноді реальні коливальні контури зображуються разом з опором втрат котушки індуктивності (рис. 3).
Рис. 3. Схематичне зображення коливального контуру:
а) ідеальний коливальний контур має тільки ємність і індуктивність;
б) реальний коливальний контур має ємність, індуктивність і опір втрат.
Чим менший Rвт, тим вища добротність контуру. Хороші коливальні контури мають добротність від 50 до 150.
В електричних схемах коливальний контур пов'язаний (безпосередньо, індуктивно - ємнісним зв'язком) з джерелом електричних коливань. Цим джерелом може бути антена, підсилювальний каскад і т.п., які в загальному випадку є генератором з певним внутрішнім опором, частотою і амплітудою. В залежності від того, як зв’язаний генератор з котушкою індуктивності і конденсатором, розрізнюють послідовний і паралельний коливальний контур.
У послідовному коливальному контурі генератор зв’язаний послідовно з котушкою і конденсатором. Наприклад, при індуктивному зв'язку коливальний контур послідовний, тому що в котушці (рис. 4) індукується е.р.с., що рівнозначно послідовному включенню генератора з L і С.
Рис 4. Схема послідовного коливального контуру (індуктивний зв’язок).
Під час резонансу послідовний контур характеризується наступними особливостями:
1. Опір контуру мінімальний і рівний Rвт.
2. Напруга на конденсаторі (або котушці) в Q раз більша від напруги генератора (Q - добротність контуру).
3. Струм, що протікає через контур максимальний і дорівнює:
. (2)
На рис. 5 зображений послідовний коливальний контур і його частотні характеристики при умові, що внутрішній опір генератора малий.
Рис. 5. Властивості послідовного контуру.
У випадку з паралельним коливальним контуром (рис. 6) генератор зв’язаний з котушкою індуктивності і конденсатором паралельно.
Рис. 6. Схематичне зображення паралельного коливального контуру і його частотні характеристи ки (при умові, що внут рішній опір генератора великий).
При резонансі паралельний коливальний контур характеризується наступними особливостями:
1. Опір контуру великий і рівний . Цей опір іноді називається резонансним опором паралельного коливального контуру і позначається Rо.
2. Оскільки опір контуру великий, струм у зовнішньому колі порівняно малий і рівний . Контурний струм порівняно великий (в Q раз більший від струму у зовнішньому колі).
На рис. 7 показаний безпосередній зв'язок антени з коливальним контуром. Тут конденсатор змінний і, змінюючи його ємність, можна змінювати частоту власних коливань контуру, тобто настроювати його на частоту потрібної радіостанції. При резонансі контурний струм, викликаний потрібною радіостанцією стає відносно великим, а опір контуру також великий. У результаті на обох кінцях контуру, утвориться значне падіння напруги тільки від сигналу потрібної радіостанції, а для сигналів інших станцій контур представляє малий опір. Таким чином, між точками а - б (рис. 7) виникає досить значна напруга тільки від сигналу потрібної станції.
Рис. 7. Схе ма вхідного пристрою приймача з паралельним коливальним контуром.
На рис. 8 показаний індуктивний зв'язок антени з контуром (послідовний зв'язок). За допомогою змінного конденсатора можна настроювати контур в резонанс з потрібною радіостанцією.
Рис. 8. Схематичне зображення вхідного пристрою приймача з індуктивним зв’язком.
У цьому випадку контурний струм, викликаний цією радіостанцією, стає відносно великим, в той час як контурні струми, викликані іншими станціями, дуже малі. Великий контурний струм утворює значну напругу на конденсаторі, яка від точок а - б подається до наступних каскадів радіоприймача.
2. Дослідженя роботи послідовного контуру в MicroCap.
Системне меню (File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, HeIp)
1. Завантаження схеми. В системному меню (рис.9) курсором вибирається режим FiIe. Ко манда New... дає можливість зробити вибір (рис. 10):
Рис. 9. Загальний інтерфейс системи Micro-Cap.
Рис. 10. Зберігання нової схеми, текстового файлу або бібліотеки моделей
Schematic — створення нової схеми, яка заноситься в файл з розширенням *.CIR;
SpiceText — створення нового текстового файла p описом схеми або бібліо теки математичних моделей компонентів в форматі SPICE (розширення *.CKT);
Library — створення нового бінарного файла бібліотек (розсширення імені.LBR). B цьому файлі знаходяться моделі біполярних транзисторів (BJT), польових транзисторів (JFET), МОП-транзисторів (MOSFET)1 арсенід-галлійових польових транзисторів (GaAsFET), діодів (Diode), джерел синусоїдальних сигналів (Sinusoidal), джеоел імпульсних сигналів (Pulse), операційних прискорювачі (Ораmр), ліній передач (TRN)1 магнітних сердечників (Соге), конденсаторів (Capacitor), індуктивностей (lnductor), резисторів (Resistor), ключів, керованих напругою (S) і струмом (W).
2. Побудова електричної схеми
Числа, змінні і математичні вирази в системі МС5. При створенні принципових мікросхем чиcлові значення параметрів компонентів записують у вигляд, наприклад:
опір 2,5 кОм записується як 2500, а ємність 1 мкФ як 0,000001;
ємність 1мкФ записується як 1Е-8;
степені 10 позначаються наступними суфіксами:
F
P
N
U
M
K
MEG
G
T
фемто
піко
нано
мікро
мілі
кіло
мега
гіга
тера
10-15
10-12
10-9
10-6
10-3
103
106
109
1012
Для економії місця на залежностях m – означає 10-3 , а М - 106.
Рис. 11. Побудова джерела синусоїдальних коливань.
Рис. 12. Побудова електричної схеми послідовного контура в MicroCap.
3. Аналіз частотних зарактеристик.
Вибираємо в меню Analysis команду AC Analysis, переходимо в режим розрахунку частотних характеристик. Завдання на розрахунок формується в вікні AC Analysis Limits.
Ha стрічці Frequency Range вказуються границі діапазону частот, на стрічці Frequency Step — вид кроку по частоті (Fixed Linear — лінійний крок), кількість точок — на стрічці Number of Points. При необхідності розрахунку спектральної густини внутрішнього шуму на стрічці Noise Input вказується ім’я джерела вхідного сигналу, на стрічці Noise Output — номер вихідного вузла, для котрого розраховується спектральна густина напруги шуму.
Для розрахунку частотних характеристик до входу схеми повинно бути підключене джерело синусоїдального або імпульсного сигналу. При розрахунку частотних характеристик амплітуда цього сигналу вважається рівною 1 B (незалежно від того, як задані значення параметрів моделі сигналу), а частота змінюється в заданих границях. Якщо є одне джерело сигналу, то ви хідні напруги будуть співпадати з частотними характеристиками пристрою. Якщо джерел сигналу декілька, то відгуки від кожного сигна лу будуть лолаватись.
B графі Y expression вказуються імена змінних для побудови залежностей частотних характеристик. Змінні при розрахунку частотних харак теристик є комплексними. Приведемо декілька прикладів їх запису:
V(1) — модуль напруги в вузлі 1;
db(V(1)) — модуль напруги в вузлі 1 в децибелах;
re(V(1)) — дійсна частина напруги;
im(V(1)) — уявна частина напруги;
ph(V(1)) — фаза напруги в градусах;
gd(V(1)) — групповий час запізнення;
INOISE — корень квадратний із спектральної густини напруги шуму, приведеної до входу;
ONOISE — корень квадратний із спектральної густини вихідної напряже ния шуму (залежності ІNOISE і ONOISE заборонено будувати одночасно з залежностями інших змінних).
Можливо проводити багатоваріантний аналіз шляхом варіації будь-якого параметра компонента схеми або його моделі. Для цього в вікні AC Analysis Limits натисканням на панель Stepping відкривають вікно для задання параметрів, які змінюються. Спочатку в гра фі Type вибирають тип змінного параметру: Component — значення параметра компонента схеми; Model — параметр математичної моделі компонента.
Потім в стрічці Step What вказують им’я змінного параметру, на наступних стрічках границі його змін і в графі Status включають кнопку On.
Текстовіе надписи (наприклад, C2 = 15 пФ) виконують за командою ввода тексту, активізують натисканням піктограми |ABS|.
Натискаючи на піктограму
на залежність наносять значення координат точки, вказаної курсором (наприклад, відмічена точка екстремума з координатами (10.07 кГц, 197.47). Відстань по вертикалі між двома вибраними точками наноситься на залежність
після піктограми
Збільшення вибраної області проводиться натисканням на
піктограму
Натискання F9 відкриває вікно задання параметрів, F3 – повертає у вікно схем.
Рис. 13. Меню аналізу частотних характеристик: v(1) – напруга в точці 1; i(r1) – струм в опорі 1.
В Y Expression – вказують імена аналогових і цифрових змінних, які відкладають по осі Y (можна застосовувати математичні вирази і функції).
Моделювання починається після натискання на панель Run і може бути зупинено натисканням кнопки Esc. Колір графічних залежностей вибирається в меню. Номера графічних залежностей назначаються для кожної змінної в графі P. Масштаб графічних залежностей по осях X, У вказується в графах X Range, Y Range або вибирається автоматично, якщо помітити курсо ром панель Auto Scale Ranges.
Кнопка F8 активізує електронний курсор для читання координати графіка, ім’я змінної якого підкреслено (вибір аналізуємої змінної прово диться щолчком курсора). Лівою і правою кнопками миші позмінно можна встановити маркери на графічних залежностях. Нижче графічних залежностей виводиться таблиця з графами:
Left — значення змінної, яка відмічена щолчком левої кнопки миші;
Right — значення змінної, яка відмічена щолчком правої кнопки миші;
Delta — різниця між двома відліками;
Slope — похідна функції, яка розрахована за двома відліками.
Кожна стрічка цієї таблиці відповідає одній функції, а остання стрічка — незалежній змінній (наприклад, часу T). Повернення в простий режим відображення залежностей здійснюється натисканням F2.
Рис. 14. Властивості послідовного коливального контура.
3. Послідовність виконання роботи.
5.1. Дослідження резонансних характеристик послідовного коливального контуру.
5.1.1. В пакеті MicroCap намалювати схему послідовного коливального контуру відповідно до рис. 5.
5.1.2. Вирахувати Z, UL i Ik цього контуру.
5.1.3. Отримати амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) контуру.
5.1.4. Побудувати відповідно до рис. 5 залежність Z=F(f). Визначити fP.
5.2. Дослідження резонансних характеристик паралельного коливального контуру.
5.2.1. В пакеті MicroCap намалювати схему паралельного коливального контуру відповідно до рис. 6.
5.2.2. Вирахувати Z, I i Ik цього контуру.
5.2.3. Отримати амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) контуру.
5.2.4. Побудувати відповідно до рис. 6 залежність Z=F(f). Визначити fP, Roe.
4. Зміст звіту.
2.1. За заданими схемами провести необхідні розрахунки відповідно до завдання.
2.2. Побудувати в середовищі MicroCap електричні схеми контурів з параметрами, заданими викладачем.
2.3. В програмі MicroCap отримати залежності, задані викладачем.
2.4. В звіті привести отримані результати, залежності і зробити необхідні висновки.
Список літератури.
Зюко А.Г., Кловский Д.Л., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. – М.: Связь, 1990. – 288 с.
Пенин П.И., Филипов Л.И. Радиотехнические системы передачи информации. М.: Радио и связь, 1994. – 256 с.
Борисов В.А., Калмыков В.В., Ковальчук Я.М. Радиотехнические системы передачи информации. М.: Радио и связь, 1990. – 304 с.
Навчальне видання
Дослідження резонансних характеристик коливальних контурів
Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу
“Поля і хвилі в системах ТЗІ” для студентів базового напряму 6.170102 «Системи технічного захисту інформації»
Укладачі: Костів Юрій Михайлович
Іванюк Віталій Миколайович
Ракобовчук Лариса Маратівна
29.05.2013 23:05-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора