Анализ и синтез радиотехнических сигналов и устройств

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

 

ФГОУ СПО  «Омский Государственный Технический  Университет»

Кафедра: Радиотехнические устройства и системы диагностики

 

Специальность: Радиотехника

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

На тему: «Анализ и синтез радиотехнических сигналов и устройств»

По дисциплине: Основы теории цепей

 

Студент:

 

Группа:

 

 

Пояснительная записка

 

                                                                                                             Руководитель проекта:

                                                                                            

                                                                                             ____________________

                                                                                              Разработал студент:

                                                                                            ____________________

                                                                                               

 

                                                               Омск 2012

ГОУ ВПО «Омский  государственный технический университет»

 

Кафедра______________________________________________________________________
Специальность_________________________________________________________________

 

Задание

на  курсовое проектирование

по дисциплине - Основы Теории Цепей (О.Т.Ц,)____________________________________

Студент - ____________ группа _ ______________

(Ф.И.О.  полностью)

1.Тема проекта - «Анализ и синтез радиотехнических сигналов и устройств»____________

2.Срок сдачи студентом законченного проекта_____________________________________

3. Исходные  данные к проекту Б) ФВЧ; f₂=30 кГц; f₃=10 кГц; а_Г=20 дБ; ∆а=2.2 дБ; R_ВЫХФ=R_ВХФ=0.22 кОм, В) ;Е=-5В; R_ВХУ=R_ВЫХФ; R_ВЫХФ=любое, Д) ГТ109; p-n-p тип; f_ПРЕД=0.05 МГц; U_M=10B; I_K=1.5 мA; U_БЭ=0.4 В; h₁₁=0.75 кОм; h₂₂=0.00015 См; h₂₁(β)=50, Г) U₀(ϭ(t+T/4)-ϭ(t-T/4)); f₁=1/T=10 кГц; U₀-0.06 B; R_Г=R_ВХФ=0.22 кОм

 Содержание  проекта (работы):___________________________________________________

4.1. Разделы  пояснительной записки (перечень  подлежащих разработке вопросов) ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.2. Перечень графического  материала (с указанием обязательных  чертежей)___________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Основная рекомендуемая литература _______________________________________

А)Никонов И.В., Анализ и синтез схемы  электрической цепи. – 2010 г. ________________

Б)Никонов И.В. ,Женатов Б.Д. Электрические  цепи. Анализ и синтез.- 2004г.____________

6. Дата выдачи задания__________________________________________________________

 

Зав. кафедрой _____________________________________________________________________________

(подпись,  дата)

Руководитель _____________________________________________________________________________

(подпись,  дата)

 

Студент _____________________________________________________________________________

(подпись,  дата)

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 4

1. Анализ технического задания. Основные этапы проектирования 5

2. Основные принципы и методы проектирования электрических фильтров......6

2.1. Основные принципы проектирования фильтров 6

2.2. Методика синтеза фильтров по характеристическим параметрам.........11

2.3. Методика синтеза фильтров по рабочим параметрам 19

2.4. Расчет синтеза эквивалентной схемы электрического фильтра 26

3. Основные принципы и этапы расчета электрической схемы усилителя  
напряжения 30

3.1.Основные принципы расчета электрических схем усилителей 30

3.2. Расчет схемы электрической принципиальной усилителя  
на биполярном транзисторе 32

4. Основные принципы и этапы анализа спектра сложного  
периодического сигнала 35

4.1. Принципы спектрального анализа 35

4.2. Расчетные формулы спектрального анализа 36

4.3.Анализа спектра входного сигнала 37

5. Анализ сигнала на выходе электрической цепи. Рекомендации  
по разработке схемы электрической принципиальной 40

5.1. Анализ прохождения сигнала через электрическую цепь 40

5.2. Анализ  по схеме рисунка...........................................................................40

6. Заключение 41

Библиографический список 42

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Основными задачами электротехнических и радиотехнических дисциплин являются анализ и синтез электрических цепей и сигналов. В первом случае анализируются токи, напряжения, коэффициенты передачи, спектры при известных моделях, схемах, устройствах, сигналах. При синтезе решается обратная задача – разработка аналитических и графических моделей (схем) электрических цепей и сигналов. Если проводимые расчеты, разработка завершаются изготовлением конструкторской и технологической документации, изготовлением макетов или опытных образцов, то применяется термин проектирование.

Первыми дисциплинами радиотехнических специальностей высших учебных заведений, в которых рассматриваются различные задачи анализа и синтеза, являются дисциплины «Основы теории электрических цепей» и «Электротехника и электроника». Основные разделы этих дисциплин:

– анализ в установившемся режиме линейных резистивных электрических цепей, линейных реактивных электрических цепей, в том числе резонансных и с негальваническими связями;

– анализ комплексных частотных характеристик электрических цепей;

– анализ линейных электрических цепей при сложных периодических воздействиях;

– анализ линейных  электрических цепей при импульсных воздействиях;

– теория линейных четырехполюсников;

– анализ нелинейных электрических цепей;

– линейные электрические фильтры, синтез электрических фильтров.

Перечисленные разделы изучаются во время аудиторных занятий [1, 2], однако важной частью учебного процесса является также курсовое проектирование. Тема курсовой работы (проекта) может соответствовать одному из изучаемых разделов, может быть комплексной, то есть включать в себя несколько разделов дисциплины, может быть предложена студентом.

В данных методических указаниях рассмотрены  рекомендации по выполнению комплексной курсовой работы (проекта), в которой необходимо решить взаимосвязанные задачи синтеза и анализа для аналоговой электрической цепи.

 

 

 

 

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.  
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

 

В качестве комплексной курсовой работы (проекта) в данных методических указаниях предложена разработка электрических эквивалентных и принципиальных схем электрической цепи, содержащей электрический фильтр и усилитель, а также анализ спектра входного сигнала генератора импульсов и анализ «прохождения» входного сигнала к выходу устройства. Эти задачи являются важными, практически полезными, так как разрабатываются и анализируются широко применяемые в радиотехнике функциональные узлы.

Схема электрическая  структурная всего устройства, для которого необходимо провести расчеты, приведена на рисунке 1. Варианты заданий для отдельных разделов расчетов приведены в приложениях Б, В, Г. Номера вариантов заданий соответствуют номерам студентов в списке группы, либо номер варианта формируется более сложным образом. При необходимости студенты могут самостоятельно задать дополнительные требования к проектированию, например, массогабаритные требования, требования к фазочастотным характеристикам и другие.

 

 

 

Рис. 1

 

На рисунке 1 обозначены комплексные действующие  значения  входных и выходных электрических напряжений гармонической  формы.

При курсовом проектировании необходимо решить следующие  задачи:

а) синтезировать (разработать) любым методом схему  электрическую эквивалентную, а затем – схему электрическую принципиальную на любых радиоэлементах. Провести расчеты ослабления и коэффициента передачи по напряжению, проиллюстрировать расчеты графиками;

б) разработать схему электрическую принципиальную усилителя напряжения на любых радиоэлементах. Провести расчеты усилителя по постоянному току, проанализировать параметры усилителя в режиме малых переменных сигналов;

 

в) рассчитать любым методом спектр сложного периодического сигнала, подаваемого с генератора импульсов на вход фильтра, проиллюстрировать расчеты графиками амплитудного и фазового спектра входного сигнала;

г) проанализировать прохождение электрического напряжения от генератора импульсов через электрический фильтр и усилитель, проиллюстрировать анализ графиками амплитудного и фазового спектра выходного сигнала.

В этой последовательности рекомендуется проводить необходимые расчеты, а затем оформить их в виде разделов пояснительной записки. Расчеты необходимо выполнять с точностью не менее 5 %. Это следует учитывать при различных округлениях, приближенном анализе спектра сигнала, при выборе стандартных радиоэлементов, близких по номиналу к расчетным значениям.

Далее рассмотрены  общие принципы решения поставленных задач, методики расчетов и расчетные формулы.

 

2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

2.1. Основные принципы проектирования фильтров

2.1.1. Основные требования к проектированию

Электрические фильтры – это линейные или квазилинейные электрические цепи, имеющие частотно-зависимые комплексные коэффициенты передачи полной мощности . При этом  частотно-зависимым является также хотя бы один из двух коэффициентов передачи: по напряжению или по току . Вместо безразмерных коэффициентов передачи при анализе и синтезе фильтров широко применяется ослабление ( ), измеряемое в децибелах:

        ,                        (1)

где , , – модули коэффициентов передачи (в формуле (1) применяется десятичный логарифм).

Частотный диапазон, в котором ослабление ( ) приближается к нулю, а коэффициент передачи полной мощности ( ) приближается к единице, называется полосой пропускания (ПП). И наоборот, в частотном диапазоне, где коэффициент передачи мощности близок к нулю, а ослабление составляет несколько десятков децибел, находится полоса задерживания (ПЗ).

Полосу  задерживания в специальной литературе по электрическим фильтрам также  называют полосой ослабления или  полосой затухания. Между ПП и ПЗ находится переходная полоса частот. По расположению полосы пропускания в частотном диапазоне электрические фильтры относят к следующим типам:

ФНЧ –  фильтр нижних частот, полоса пропускания находится на нижних частотах;

ФВЧ –  фильтр верхних частот, полоса пропускания находится на верхних частотах;

ПФ –  полосовой фильтр, полоса пропускания находится в относительно узком частотном диапазоне;

РФ –  режекторный фильтр, полоса задерживания находится в сравнительно узком частотном диапазоне.

Реальный  электрический фильтр может быть выполнен на различных радиокомпонентах: катушках индуктивности и конденсаторах, избирательных усилительных устройствах, избирательных пьезоэлектрических и электромеханических устройствах, волноводах и многих других. Существуют справочники по расчету фильтров на вполне определенных радиокомпонентах. Однако более универсальным является следующий  принцип: вначале разрабатывается эквивалентная схема на идеальных LC-элементах, а затем идеальные элементы пересчитываются в любые реальные радиокомпоненты. При таком пересчете и разрабатывается схема электрическая принципиальная, перечень элементов, выбираются стандартные или проектируются самостоятельно необходимые радиокомпоненты. Наиболее простым вариантом подобного расчета является разработка принципиальной схемы реактивного фильтра с конденсаторами и катушками индуктивности, так как принципиальная схема в этом случае подобна эквивалентной. 

Но и  при таком общем универсальном расчете существует несколько различающихся между собой методов синтеза эквивалентной схемы LC-фильтра:

– синтез в согласованном режиме из одинаковых Г-, Т-, П-образных звеньев [3]. Этот метод также называют синтезом по характеристическим параметрам или синтезом фильтров типа “k”. Достоинства: простые расчетные формулы; рассчитанное ослабление (неравномерность ослабления) в полосе пропускания ( ) принимается равным нулю. Недостаток: в этом методе синтеза используются различные приближения, на самом же деле согласование во всей полосе пропускания получить невозможно. Поэтому у фильтров, рассчитанных этим методом, ослабление в полосе пропускания может быть более трех децибел;