Узбекское агентство почты и телекоммуникаций

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра « Измерения в технике связи »

Компьютерная программа

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА ДЛЯ АНАЛИЗА ФАЗОВОГО И АМПЛИТУДНОГО СПЕКТРОВ

Методическое руководство для выполнения

лабораторной работы № 19 на основе компьютера

ТАШКЕНТ 2002

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторная работа предназначена для студентов дневного и заочного факультетов по дисциплине " Электрорадиоизмерения" кафедры ИТС.

Методическое руководство выполнено в виде программного обеспечения для работы с измерительным комплексом на основе ЭВМ , с помощью которого производится математическое моделирование реальных процессов при реализации измерительных приборов для оценки параметров электрических сигналов и радиоэлектронных устройств.

Руководство содержит необходимые теоретические сведения и программу практических исследований . За основу математической модели принята структура построения промышленного прибора-спектроанализатора, типа С4-8. Кроме этого, с учетом возможностей компьютера, в структуру прибора установлены различные вспомогательные устройства такие как, линейный сумматор, осциллограф, фазовращатель, дополнительный генераторный блок, с помощью которых формируются и анализируются сложные электрические сигналы на основе преобразования Фурье.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучение методов и средств реализации новых компьютерных технологий в учебный процесс.

2. Исследование методов анализа спектральных характеристик электрических сигналов.

3. Изучение классической структурно-функциональной схемы промышленного прибора - спектроанализатора.

4. Анализ и синтез электрических сигналов на основании преобразования Фурье.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Спектральная функция формы сигнала F ( t ) оценивается известным выражением

+ ¥

S ( v ) = ¦ F ( t ) exp ( - j wt ) dt.

- ¥

В рельных условиях функция S ( w ) измеряется на конечном интервале времени

_____ Т

S ( v ) = ¦ F ( t ) exp ( - j wt ) dt

и фактически представляет так называемый текущий спектр, функционально связанной с спектральной плотностью

______

1 sqr [ S ( w ) ]

G ( w ) = --- lim -----------------.

π T → ¥ T

Следовательно, для конечного интервала времени спектральная плотность мощности Ẁ ( ω ) представляется статическим или энергетическим спектром

sqr [ S ( w ) ]

W ( w ) = -----------------.

π T

Последнее уравнение является основой для разработки специальных приборов - спектроанализаторов. Таким образом в структуре приборов необходимо иметь два основных узла, - резонансные избирательные системы и регистраторы действующих значений гармонических составляющих.

На практике имеется множество вариантов структурного построения спектроанализаторов, поскольку анализ можно проводить последовательно во времени либо одновременно.Тот или иной способ реализации характеризует функциональное построение измерительного устройства. Одновременный анализ всех гармоник требует организации соотвествующего числа параллельно включенных каналов из основных узлов. Если же можно проводить анализ спектра последовательно во времени, тогда чаще всего применяют гетеродинные анализаторы, принцип которых аналогичен принципу работы селективных вольтметров. На рис.1 приведена функциональная схема панорамного анализатора. Генератор развертки производит отклонение луча ЭЛТ осциллографа и одновременно производит частотную модуляцию частоты гетеродина. В результате текущая координата " х " линии

развертки соответствует текущему номеру гармоник входного сигнала, преобразование спектра которого производится на промежуточной частоте УПЧ. В результате на экране ЭЛТ отображается ряд спектральных линий определенной частоты и амплитуды. Для определения частоты спектральных линий используется дополнительный генератор, создающий на экране подвижную частотную отметку.

3. ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ

Компьютерная программа состоит из трех модулей. Первый модуль предназначен для визуального анализа сигналов, модулированных по амплитуде. Форма сигналов отображается на экране двухлучевого осциллографа. Второй модуль представляет собой панорамный анализатор спектра, на экране которого формируются спектральные линии. Для определения частоты гармоник используется частотная отметка от специального генератора, частота которого перестраивается оператором - исследователем. Два первых модуля имеют общие регуляторы управления режимами работы функциональных узлов. Третий

модуль выполнен в виде отдельного блока, с помощью которого можно формировать сигналы различной формы. Для этого имеется генераторный блок, генерирующий сетку частот из 11 гармоник основной частоты. Для регулировки амплитуды и фазы каждой гармоники имеются отдельно встроенные регуляторы. Различная форма сигналов реализуется с помощью линейного сумматора. Форма сигнала контролируется с помощью осциллографа. Анализ фазового и амплитудного спектров производится с помощью дополнительно встроенного панорамного анализатора.

Фрагмент 1. Панель управления режимами работы.

Фрагмент 2. Панель блока переключателей.

На приведенных фрагментах 1 и 2 расположены основные органы управления. Показаны движковые регуляторы для установки модулирующей и несущей частот, для регулировки частоты подвижной метки, для управления чувствительностью каналов " У " осциллографических блоков, для установки выходной амплитуды генераторов и глубины модуляции, для центровки лучей и синхронизации генераторов развертки.

На втором фрагменте в основном расположены переключатели для выбора формы модулирующей частоты, отключения и включения модулятора, а также переключатели перехода от осциллогра-фического модуля к модулю спектроанализатора. Здесь же показан переключатель перехода к третьему модулю компьютерной программы. Все элементы имеют информационные индикаторы и соответствующие надписи, поясняющие выполняемые функции.

Фрагмент 3. Панель управления параметрами сетки частот.

Фрагмент 4. Панель управления осциллографом и спектроанализатором модуля № 3.

При запуске компьютерной программы открывается осциллогра-фическая панель. На экране осциллографа отображаются две осциллограммы. Одна осциллограмма воспроизводит форму сигнала модулирующего сигнала другая, форму сигнала несущей частоты с амплитудной модуляцией.

На передней панели прибора расположены органы управления режимами работы лабораторного комплекса и параметрами сигналов функциональных устройств. В левой части под экраном располо-жены следующие компоненты

- регулятор частоты модулирующего сигнала с обозначением

" F модулятора "

- регулятор частоты несущего синусоидального сигнала с обозначением " F несущей "

- регулятор амплитуды модулированного сигнала с обозначением " U mod "

- регулятор глубины модуляции " K mod "

- регулятор генератора частотной метки " Частота метки "

- регулятор чувствительности каналов

- " Y К у ( Вольт / деление ) "

- переключатель " Синхронизация ", для генератора строчной развертки

- регулятор частоты развертки канала " Х ",

" Развертка кан. " Х "

- центровка осциллограмм регуляторами

" Центровка Х ", " Центровка У "

В правой нижней части панели управления группа переключателей. Функциональное назначение каждой кнопки обозначено соответст-вующими надписями

- формирование на экране масштабной сетки

" Масштаб. сетка. Вкл " , " Масштаб. сетка. Выкл "

- включение и выключение генератора - модулятора " Генератор отключить ", " Генератор. Включить "

- включение осциллографа, спектроанализатора и модуля № 3

- " Спектроанализатор ", " Осциллограф " , " Смеситель. Включить ".

- кнопка " Параметры. Исходные " для восстановления исходных параметров в случае перегрузки функциональных блоков осциллографа и спектроанализатора.

Три кнопки, обозначенные " Сигн. синусоидальный ",

" Сигн. импульсный ", " Сигн. пилообразный ", предназначены для изменения формы сигналов модулятора.

При включении спектроанализатора под экраном открывается линейка с вертикальными шриховыми линиями и частотная отметка генератора образцовой частоты.

Процесс лабораторных исследований состоит из нескольких этапов. Вначале требуется провести визуальный анализ формы

сигналов с амплитудной модуляцией. Необходимо выполнить ряд

зарисовок с экрана осциллографа осциллограмм при различных режимах работы модулятора, а также измерить коэффициенты модуляции. Далее необходимо выполнить детальный анализ

амплитудного спектра сигналов простой и сложной форм. В заключительной части исследований проводится анализ и синтез сигналов сложной формы на основании преобразований Фурье.

4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Визуальный анализ сигналов с амплитудной модуляцией

1.1. Отключите генератор модулирующей частоты и воспроизведите осциллограмму в рабочей тетради.

1.2. Включите генератор модулирующей частоты и при трех различных формах сигнала (пилообразной, импульсной и синусоидальной) воспроизведите все осциллограммы с экрана двухлучевого осциллографа в рабочей тетради.

2. Определение коэффициента модуляции

2.1. Отключите канал " У 2 " и включите сигнал модулятора синусоидальной формы. При значении K mod = 8 определите коэффициент модуляции по формуле

100 x ( U max - U min )

m (%) = ====================

U max

Процесс измерения U max и U min показан на рисунке.

Выполните измерения m для различных значениях K mod , указанных в таблице 1. Все данные запишите в таблицу и постройте график зависимости

m (%) = Ф ( K mod ).

Таблица 1. Форма сигнала синусоидальная

====================================================K mod 1 2 3 4 5 6 7 8 9

====================================================

U max, mB

====================================================U min, mB

====================================================

m (%)

====================================================

2.2. Повторите пунк 2.1. для сигналов пилообразной и импульсной формах. Все измеренные и расчетные данные запишите соответственно в таблицы 2 и 3.

Таблица 2. Форма сигнала пилообразная

====================================================K mod 2 4 6 8 10 12 14 16 18

====================================================

U max, mB

====================================================U min, mB

====================================================

m (%)

====================================================

Таблица 3. Форма сигнала импульсная

==================================================== K mod 2 4 6 8 10 12 14 16 18

====================================================

U max, mB

====================================================U min, mB

====================================================

m (%)

====================================================

3. Анализ спектра амплитудно - модулированного сигнала

3.1. Установите частоту генератора частотных меток, равной

F мет = 28, 05 MГц. Включите сигнал иодулятора синусоидальной формы. Включите кнопку " Спектроанализатор ".

Установите регулятор " F модулятора " в левое крайнее положение

На экране дисплея откроется панорамный анализатор спектра с ярко выраженной спектральной линией несущей частоты F нес.и

двумя спектральными линиями модулирующего сигнала F в и F н.

Регулировкой частоты несущего колебания совместите спектраль-ную линию с частотной отметкой Определите частоты F нес, F в и F н. Произведите вычисления

F в mod = ½F нес. ─ F в ½,

F н mod = ½F нес. ─ F н ½,

F mod = 0.5 [ F в mod + F н mod ].

Полученные результаты запишите в таблицу 4.

Таблица 4.

====================================================

F нес. F в F н F в mod F н mod F mod

====================================================

Установите частоту генератора меток , равной F мет = 128, 01 МГц Совместите спектральную линию F нес. с частотной меткой. Далее, выполните исследования. Последовательно устанавливая регулятор " F модулятора " вправо в фиксированные положения выполните операции в соответствии с пунктом 3.1, произведите соответствующие расчеты и данные запишите в таблицу 5.

Таблица 5.

====================================================

Текущие

Положения 1 2 3 . . . . . . . . . . . . . . . . 18 19 20

регулятора

==================================================== F нес.

==================================================== F в

==================================================== F н

==================================================== F в mod

==================================================== F н mod

==================================================== F mod

====================================================

Диапазон Δ F mod = [ F mod. max ─ F mod. min ].

====================================================

3.3. Нажмите кнопку " Параметры. Исходные " и установите частоту генератора меток F мет =121.89 МГц. На экране появится изображение.

На экране спектр сигнала, модулированного по амплитуде пилообразными импульсами, содержит четные и нечетные гармоники. Определите частоты этих гармоник, количество которых укладывается в 13 секторах штриховой шкалы, как показано на изображении. Произведите расчет частоты повторения пилообразных импульсов F mod. пил. Все данные запишите в таблицу 6. Включите масштабную сетку и произведите измерения амплитуды каждой спектральной линии. Данные также запишите в таблицу.

Примечание При измерениях амплитуд гармоник с более высоким номером необходимо пользоваться регулятором чувствительности так, чтобы изображение соответствующей спектральной линии занимало пространство координатной плоскости, порядка половины высоты экрана и более. При этом амплитуда измеряется обычным способом, т.е. произведением коэффициента чувстви-тельности на количество делений, занимаемых спектральной линией

Таблица 6.

===================================================

Номер гармоники 1 2 3 ------------------------------ 14 15

==================================================Частота

==================================================

Амплитуда

==================================================

∑ U ị = ( ị = 2 … 15 )

==================================================

Коэффициент отношния U1 / ∑ U ị =

==================================================

Частота повторения F mod. пил.=

==================================================

3.5. Включите сигнал импульсный формы и повторите операции

пунктов 3.3 и 3.4. Все данные внесите в таблицу 7.

Таблица 7

===================================================

Номер гармоники 1 2 3 ------------------------------ 14 15

==================================================Частота

==================================================

Амплитуда

==================================================

∑ U ị = ( ị = 2 … 15 )

==================================================

Коэффициент отношния U1 / ∑ U ị =

==================================================

Частота повторения F mod. имп.=

==================================================

3.6. Выполните анализ полученных данных и выводы запишите в рабочую тетрадь.

4. Определение класса точности генератора частотных отметок

При открытии панели спектроанализатора в нижней левой части панели управления открывается кнопка " Калибр ".

4.1. Нажмите кнопку " Калибр ". На экране появится одна спектральная линия образцового генератора для калибровки частотных отметок. Соответственно в правой нижней части панели коммутации откроется дополнительная панель с органами управления образцовым генератором. Последовательно устанавливая частоту образцового генератора с шагом 10 МГц.

( 10, 20, 30, 40 и далее МГц ) , выполните поверку генератора частотных отметок Определите максимальную абсолютную погрешность установки частоты генератора меток. Определите абсолютную погрешность

Δ F = [ F обр. ― F мет.].

в серии измерений и данные запишите в таблицу 8.

По максимальной погрешности Δ F max определите приведенную погрешность γ (%) и присвойте класс точности.

Таблица 8.

====================================================

F обр.

====================================================

F мет.

====================================================

Δ F

==================================================== Δ F max

====================================================

Приведенная погрешность

γ (%) = 100 [ Δ F max ] / D ,

где D - предел шкалы, равный 250 МГц

Класс точности К ≥ γ (%) присвойте согласно ряда чисел

( ГОСТ 417. 81 )

[ 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4.0; 5. ] c множителем

5. Анализ и синтез электрических сигналов

Включите кнопку " Смеситель. Включить ". На экране дисплея откроется модуль 3. При включении модуля на экране осциллографа воспроизводится импульсы прямоугольной формы

5.1. Пользуясь калибраторами " К х " и " К у " осциллографа выполните измерения амплитуды " U имп " и периода " Т имп" импульсного сигнала. Включите кнопку " Анализатор спектра ". используя аналогичные калибраторы панорамного анализатора спектра, определите значение амплитуды U j и частоты F j для каждой гармоники, линейное суммирование которых соответствует форме сигнала на экране осциллографа..

Воспроизведите форму сигнала в рабочей тетради, а все измеренные и отображаемые параметры внесите в таблицу 9.

Таблица 9.

====================================================Номер гармоники 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

====================================================U j, m B

====================================================

U имп, м В

====================================================

Т имп, м с

====================================================

F j, кГц

====================================================

5.2. Нажмите кнопку " Фазовый спектр " и зарисуйте с экрана осциллограмму распределения фазового спектра исследуемого сигнала.

5.3. Нажмите две кнопки "Фаза 180. Вкл." для нечетных гармоник и снова зарисуйте осциллограмму распределения фазового спектра с экрана ЭЛТ.

5.4. Нажмите кнопку " Осциллограф. Включить" . Включая и выключая кнопку фазового сдвига для нечетных гармоник проведите визуальный анализ формы импульсного сигнала. Зарисуйте две осциллограммы в одной координатной плоскости, а результаты анализа запишите в рабочую тетрадь.

Для облегчения процесса подготовки отчета ниже прилагаются фрагменты изображений на экранах ЭЛТ .

5.5. Нажмите кнопку " Восстановить параметры". На экране снова появится осциллограмма импульсного сигнала, форма которого формируется при линейном суммировании нечетных гармоник.

5.6. Нажмите кнопку " Четные. Вкл.". На экране появится новая форма сигнала, которая формируется при линейном суммировании и четных и нечетных гармонк.

Выполните все операции по методике пункта 5.1 и все данные запишите в таблицу 10.

Таблица 10.

====================================================Номер гармоники 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

====================================================U j, m B

====================================================

U имп, м В

====================================================

Т имп, м с

====================================================

F j, кГц

====================================================

Нажмите кнопку " Фазовый спектр " и зарисуйте с экрана осциллограмму распределения фазового спектра исследуемого сигнала

5.7. Включите кнопку сдвига фазы для четных гармоник. Осциллограмму воспроизведите в рабочей тетради

5.8. Включите дополнительно сдвиг фазы и для нечетных гармоник, а осциллограмму воспроизведите в рабочей тетради

5.9. Нажмите кнопку " Восстановить параметры". На экране снова появится осциллограмма импульсного сигнала, форма которого формируется при линейном суммировании нечетных гармоник.

5.10. Нажмите кнопки " Четные. Вкл." и " Нечетные. Выкл." На экране появится новая форма сигнала, которая формируется при линейном суммировании только четных гармонк.

5.11. Индивидуальная работа студента под руководством преподавателя.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Устройство и принцип действия приборов для оценки формы и спектра электрических сигналов.

2. Обработанные данные экспериментальных исследований.

3. Выводы и заключения по результатам проведенных исследований.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как математически описываются реальные физические процессы по энергетическим и временным характеристикам ?. Поясните понятия в радиоэлектронике, " спектр и форма " электрических сигналов.

2. Укажите параметры, которые можно оценить с помощью аппаратурного анализа спектральных характеристик сигналов на входе и выходе различного рода радиотехнических устройств.

3. Укажите основные функциональные устройства, необходимые для практической реализации измерительных приборов - спектроанализаторов.

4. Поясните принцип математического анализа и синтеза физических процессов на основе преобразования Фурье

5. Что означают понятия на практике, " линейные и нелинейные " искажения, вносимые различного рода четырехполюсниками ?

6. Объясните приемы и методы, положенные в основу математических моделей, предназначенных для реализации на практике измерительных приборов - спектроанализаторов.

7. Укажите основные функциональные устройства, необходимые для реализации гетеродинного метода построения спектроанализаторов.

8. Укажите достоинства и недостатки принципов реализации математических моделей, описывающих характеристики и свойства физических процессов, на практике и на основе современных компьютерных технологий.

Компьютерная программа

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА ДЛЯ АНАЛИЗА ФАЗОВОГО И АМПЛИТУДНОГО СПЕКТРОВ

Методическое руководство для выполнения

лабораторной работы № 19 на основе компьютера

Программа обсуждена и рекомендована к размножению

на заседании кафедры « Измерения в технике связи »

Протокол № от 2002 г.

Составитель, доцент, к.т.н. Копров А.И.

Редакционно-издательский сектор

Редактор д.ф-м.н. Арипов Х.К.

Корректор ст. преп. Халилова Р.С.

Типография ТУИТ. Зак.