Курсовая работа по электротехнике для студентов специальности ИУ3. Устройство передачи импульсных сигналов е цепях, содержащих элементы полосковых линий.

СКАЧАТЬ:  Kursovaya_rabota____IU3.zip [95,87 Kb] (cкачиваний: 61)  

Курсовая работа по электротехнике для студентов специальности ИУ3.

Устройство передачи импульсных сигналов е цепях, содержащих элементы полосковых линий.

1. Задание на выполнение курсовой работы.

В курсовой работе предполагается выполнение следующих расчетов.

1. На основании данных варианта курсовой работы рассчитывается комплексный коэффициент передачи источника сигналов и строятся его амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики в диапазоне частот . Оценивается диапазон частот, в пределах которого отклонение значений модуля передаточной характеристики от номинального значения частоты не превышают 10%.

2. Рассчитывается реакция схемы устройства на прямоугольный импульс длительностью . Оцениваются искажения фронта и вершины выходного импульса.

3. Разрабатывается схема корректирующего устройства, и определяются его частотные характеристики.

4. Рассчитываются передаточные характеристики схемы устройства с корректором, а также его реакция на прямоугольный импульс.

5. Оценивается качество проведенной коррекции выходного сигнала, и рассчитываются условия согласования корректора с полосковой линией.

6. Рассчитываются первичные и вторичные параметры полосковой линии.

7. Составляется общая схема устройства с заданными параметрами характеристического сопротивления.

8. Рассчитываются спектральные характеристики последовательности импульсов и одиночного сигнала.

9. Рассчитываются спектральные характеристики выходных сигналов и их временные зависимости.

10. Рассчитываются временные зависимости напряжений на выходе полосковой линии.

11. Проводится анализ искажений на выходе полосковой линии.

11. Составляются выводы по проведенной работе.

2. Обозначения и исходные данные.

Относительная диэлектрическая проницаемость (безразмерная) -;

диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная вакуума) -;

магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная вакуума) - ;

погонное сопротивление потерь-;

погонная проводимость потерь-;погонная емкость -;

погонная индуктивность -;

удельная объемная проводимость -;

скорость света в диэлектрике-;

тангенс угла потерь-;

волновое (характеристическое) сопротивление-;

коэффициент распространения-;

коэффициент ослабления-;

коэффициент фазы-;

сопротивление нагрузки-

;частота следования периодического сигнала-;

выходной импульсный сигнал-;

выходной периодический сигнал -;

скважность периодического сигнала -;

длительность импульса-;

частотный параметр (круговая частота)-;

передаточная функция линии-;

комплексная спектральная плотность (непрерывная) одиночного импульсного сигнала-;

комплексный спектр (дискретный) входного периодического сигнала -F_вх;

комплексный спектр (дискретный) выходного периодического сигнала-F_вых;;

период – Т, сек;

3. Корректирующее устройство.

В устройствах автоматики и цифровой техники для обработки управляющих сигналов используются прямоугольные импульсы. Учитывая тот факт, что практически любая электрическая цепь содержит реактивные элементы, параметры которых зависят от частоты, прохождение электрических сигналов в устройствах сопровождается искажением их формы. Условием неискаженной передачи сигналов через четырехполюсник является выполнение условий, которые предполагают, что модуль коэффициента передачи должен быть постоянным во всем диапазоне частот , а фазо-частотная характеристика должна быть линейной.

На практике такие условия обычно не выполняются, и для того, чтобы восстановить исходную форму сигнала используются корректирующие четырехполюсники. Зависимость от частоты комплексный коэффициента передачи электротехнического устройства оценивается с помощью характеристики, которая носит название мера передачи g = a+jb, где: a – коэффициент затухания, b – коэффициент фазы.

Если корректирующий четырехполюсник (КЧ) согласовать по входу с выходом корректируемого устройства, а по выходу с сопротивлением нагрузки, то включение КЧ не меняя режима работы корректируемого устройства приводит к изменению его амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик. Мера передачи в этом режиме равна g=g₁+g₂=a₁+a₂+j(b₁+b₂), где g₁-мера передачи корректируемого устройства; g₂-мера передачи корректирующего четырехполюсника; a₁,a₂ - коэффициенты затухания устройства и корректирующего четырехполюсника соответственно; b₁ b₂ - коэффициенты фазы.

Следовательно, для компенсации искажений необходимо выбрать такую меру передачи КЧ , чтобы она дополняла меру передачи корректируемого устройства таким образом, чтобы обеспечить неискаженную передачи сигналов в рабочем диапазоне передаваемых сигналов. В таком режиме а = а₁+а₂ = const, b = b₁+b₂=k, гдеk- постоянная величина.

Подобный корректирующий четырехполюсник обычно реализуется в виде схемы, состоящей из пассивных элементов R,L,C. В некоторых случаях в качестве корректирующего четырехполюсника используются устройства на основе активных элементов (операционных усилителей).

Активные корректоры строятся с использованием промежуточных звеньев в виде четырехполюсников с большим (теоретически бесконечно большим) входным сопротивлением и малым, близким к нулю, выходным сопротивлением. К таким корректорам не предъявляются требования согласования их характеристических сопротивлений. Постоянная передача такого корректора определяется из соотношения

(1)

В некоторых случаях возможно применение корректоров комбинированного типа, когда активные элементы используются лишь для развязки четырехполюсников , но не влияют на их частотные и амплитудные характеристики. Теоретически одним корректором можно компенсировать и амплитудные, и фазовые искажения. Однако на практике очень часто используются отдельно включенные амплитудный и фазовый корректоры, так как использование отдельных корректоров в некоторых случаях позволяет повысить качество корректирования. В то же время совместное использование амплитудного и фазового корректора предъявляет к схемам корректирования ряд дополнительных требований.

4.Принцип построения корректора.

Обычно корректирующее устройство проектируется в виде последовательно соединенных амплитудного и фазового корректоров. При этом при корректировании фазовых искажений ставится условие - фазовый корректор не должен вносить амплитудных искажений, т.е. его затухание не должно меняться с частотой. К фазовой характеристике амплитудного корректора обычно никаких специальных требований не предъявляется, поэтому амплитудный корректор вносит дополнительные фазовые искажения, которые должны учитываться при подборе параметров фазового корректора. В то же время существует класс амплитудных корректоров, не вносящих фазовых искажений, у которых фазо-частотная характеристика имеет вид , их недостаток - сложность схемного построения и невысокая точность коррекции.

На практике корректирующий четырехполюсник состоит из совокупности последовательно соединенных амплитудного и фазового корректора. В то же время существуют схемы коррекции, которые с определенной точностью осуществляют одновременно как амплитудные, так и фазовые искажения.

Если передаточная характеристика корректируемого устройства имеет вил , то схема корректора в этом случае должна иметь вид

(2)

Общая схема устройства. не вносящего искажений в передаваемый сигнал, представлена на рис. 1, где 1- источник импульсных сигналов (корректируемое устройство), 2- корректор, 3 – полосковая линия, 4- нагрузка.

Рис. 1 Устройство передачи сигнала с корректируемой амплитудно - частотной и фазо - частотной характеристиками.

5. Методы построения корректирующих звеньев передаточных характеристик четырехполюсников.

Использование микропроцессоров позволяет в некоторых случаях существенно упростить процесс коррекции рабочих характеристик устройств, используемых в технике. Рассмотрим схему построения такого корректора на конкретном примере. На рисунке 2 приведен общий вид корректора, построенного по схеме, содержащей операционный усилитель, охваченный обратной связью. Ориентировочные параметры такого усилителя следующие:

k- коэффициент усиления по напряжению, а –верхняя рабочая частота.

Часто такой ОУ используется не для получения усилительного эффекта, а для предания электрическим цепям особых свойств, получить которые без него сложно или невозможно. Для работы ОУ к нему необходимо подвести постоянное питающее напряжение . Цепи питания на схемах обычно не изображают.

В большинстве практических расчетов характеристики ОУ идеализируют. При этом считают, что входная проводимость и выходные сопротивления равны нулю, а коэффициент усиления имеет бесконечно большое значение. Выходные напряжение повторителя , мощность входного сигнала равна нулю, а мощность выходного может принимать любое значение в зависимости от нагрузки – это не противоречит закону сохранения энергии, так как она обеспечивается источником питающего напряжения ОУ.

5. Корректор с использованием операционных усилителей.

Пусть устройство характеризуется передаточной характеристикой вида K₁(jZ₂/(Z₁+Z₂). При этом, необходимо обеспечить неискаженную передачу импульсных сигналов. Такой режим можно обеспечить, если последовательно с устройством включить активный корректирующий двухполюсник с условно бесконечно большое входное сопротивление и малое выходное.

6. Полосковая линия. (Л4)

Рис.1 Полосковая линия передачи.

Если полосковая линия не имела бы потерь, любой сигнал распространялся бы через нее без искажений, не изменяя своей формы. При несогласованной нагрузке на выходе и на входе линии возникают повторные отражения (возможно, сопровождаемые потерями при каждом отражении). Реально линия имеет потери, которые к тому же зависят от частоты, и поэтому даже в случае согласованной нагрузки выходной сигнал имеет форму, отличную от формы входного сигнала. Ситуация усложняется, если учитывать многократные отражения от несогласованной нагрузки.

В данной работе будем исходить из того, что на выходе линии с потерями подключена согласованная нагрузка, а к входу линии подсоединен идеальный источник напряжения, задающий сигнал заданной формы. Распространяясь по линии, этот сигнал испытывает искажения, но отражения от нагрузки нет. В результате на нагрузке выделяется сигнал, искаженный по сравнению с входным сигналом. Целью работы является оценка искажений. Эта оценка должна быть в окончательной форме представлена в выводах по работе

;

Геометрические параметры полосковой линии указаны на рис.1.

Определения всех величин даны в лекциях и в рекомендованной литературе. Размерности исходных данных не совпадают с указанными выше и должны быть приведены к последним. Результаты вычислений также должны быть представлены только в указанных выше единицах.

6.1. Первичные параметры линии

Приведенные ниже формулы носят приближенный характер. Приближение справедливо, если размеры линии меньше длины волны. Элементарный (длины dl) участок длинной линии представляет собой четырехполюсник, изображенный на рис.2. Первичные параметры есть по определению погонные емкость, индуктивность, сопротивление и проводимость.

По заданным ,и известным рассчитываются скорость света в вакууме и скорость света в диэлектрике (фазовая скорость) .

По заданным геометрическим величинам b,h определяются погонные реактивные параметры и .

Погонные параметры омических потерь определяются удельной объемной проводимостью полоскового проводника и тангенсом угла потерь диэлектрика. В то же время указанные параметры не числа, а функции частоты и должны быть построены графические зависимости и . Тангенс угла потерь может считаться не зависящим от частоты. Указанные выше графики необходимо построить в интервалах: и , где - глубина проникновения электромагнитного поля в проводник.

6.2 Вторичные параметры линии.

Коэффициент распространения является комплексной величиной .= (1) Коэффициенты ослабления и фазы соответственно находятся по формулам

, (2)

. (3)

На частотах , , на частотах

, где

Эти формулы носят приближенный характер, на малых и больших частотах предпочтительно использовать формулу 1

Графики этих зависимостей следует построить в указанных выше интервалах.

Волновое сопротивление комплексно, зависит от частоты и определяется по формуле

. (4)

Модуль и фаза волнового сопротивления как функции частоты вычисляются приближенно следующим образом

, . (5)

Должны быть построены графики этих зависимостей.

7. Порядок выполнения курсовой работы.

Курсовая работа выполняется в течение семестра в соответствии с установленным графиком.

1. Ознакомление с заданием на курсовую работу. Расчет передаточных характеристик формирователя входных импульсов. Процент выполнения 25%. Срок 4 неделя.

2. Разработка и расчет корректирующего устройства. Процент выполнения 50%. .Срок 7 неделя.

3. Расчет передаточных характеристик полосковой линии Расчет выходных сигналов. Анализ погрешностей расчета Процент выполнения 11%. Срок 9 неделя.

4. Анализ полученных результатов. Выводы по работе. Процент выполнения 75%.. Срок 11 неделя.

5. Оформление пояснительной записки по курсовой работе. Подготовка к защите курсовой работы. Процент выполнения 100%.. Срок 13 неделя

Защита курсовой работы проводится на 14 неделе. Несвоевременное выполнение курсовой работы или отдельных ее этапов приводит к снижению общей оценки работы в целом.

8. Cсодержание курсовой работы

1.Задание.

Полный текст задания по вариантам, исходные данные в числовом виде.

2.Анализ и расчет выходных сигналов формирователя управляющих импульсов. Расчет передаточных и переходных характеристик формирователя управляющих импульсов. Расчет реакции на одиночный импульс и последовательность импульсов Разработка блок-схемы корректирующего устройства..

3.Анализ и расчет выходных сигналов корректирующего устройства.

4. Расчет первичных и вторичных параметров полосковой линии. Передаточная функция полосковой линии, Условие неискаженной передачи сигналов. Условия отсутствия амплитудных и фазовых искажений (отсутствия фазовой дисперсии). Импульсный и периодический сигналы, их математическое описание во временном и спектральном представлении., графики.

5Описание выходного сигнала. Реакция на импульсный и периодический входные сигналы (общность и различие). спектральное представление выходного сигнала, приближение для ПК

6. Оценка качества передачи полосковой линии. Принципы оценки качества передачи, отклонений выходных сигналов относительно входных во ременной области , графики отклонений

\7. Выводы

.Выводы по работе должны содержать :

7.1. Оценку искажений сигналов при их передаче в разрабатываемом устройстве, а также анализ факторов их вызывающих.

7.2. Частотные зависимости вторичных параметров (их величины и характер).

7.3. Отличие передаточной функции полосковой линии от передаточной функции сосредоточенного четырехполюсника, роль согласованной нагрузки, влияние свойств линии на передачу импульсных сигналов, оценка пригодности полосковой линии для передачи тактовых импульсов в ПК, оценка полезности проделанной работы, рекомендации по коррекции текста методики

Качество написания пояснительной записки входит в итоговую оценку работы.

9. Примеры расчеты.. Расчет источника импульсных сигналов

Рассмотрим вариант источника сигналов, схема которого представлена на рис.3

С целью обеспечения режима идеального источника эдс, выход источника сигнала подключаем к операционному усилителю, работающему в режиме повторителя.

В этом режиме расчетная схема будет иметь вид (рис.4)

Принимаем условно, что входное сопротивление операционного усиления близко к бесконечности, а выходное сопротивление близко к нулю, будем считать, что источник с операционным усилителем обеспечивает режим идеального источника

источника эдс u₃=-u₂, r_вых0.

1. Расчет передаточных характеристик.

Проведем расчет переходных и передаточных характеристик цепи источника сигнала, формирующего последовательность прямоугольных импульсов амплитудой 2 в, частотой 100 Гц и скважностью 2, а также выходной сигнал единичного импульса =

Параметры схемы замещения:

=20 к Ом, r₂= 20 к Ом, r₃=10 r Ом, r₄=100 к Ом, =20 мкГн, = 66,81/с

Расчетная схема имеет вид (рис.5)

Учитывая, что коэффициент усиления операционного усилителя достаточно высокий, можно считать, что сигнал на входе операционного усилителя близок к нулю.

В этом случае

, , где

Для рассматриваемого примера

Амплитудно- частотная характеристика

Фазо-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика строится в диапазоне 0,1(рис.5)

Рис.5 Амплитудно-частотная характеристика

Рис.6 Фазо-частотная характеристика

2. Расчет переходной характеристики.

Переходная характеристика определяется как реакция на единичное воздействие при нулевых начальных условиях (Рис.7)

Рис.7

Переходная характеристика h(t) определяется уравнением

Рис.8 Переходная характеристика

3. Расчет реакции на единичный импульс.

Реакция на единичный импульс при u=2 в имеет вид

0‹t‹ t_u

u₂(t)= 0,14 e^{-0,95 10}- 0,14 e e^{-0,95 10} t›t_u

Рис. 9 реакция системы на единичный импульс

4. Расчет реакции на последовательность прямоугольных импульсов.

Расчет реакции на последовательность импульсов проводится методом припасовывания. При скважности g=2 длительность импульса равна Т/2.

Учитывая, что в схеме один реактивный элемент решение в интервале импульса определяет уравнение

0 ‹ t ‹ Т/2

В интервале паузы

Т/2 ‹ t ‹ Т

В момент t=Т/2 происходит переход из участка 1 на участок 2.

В этот момент входное напряжение уменьшается на 2 вольта. Так как ток в индуктивности не меняется, происходит изменение тока только в сопротивлениях r и r₂₄. Ток, протекающий через резисторы r₁ и r₂₄ определяется из уравнения

Из условия стыковки решений можно записать в момент т/2

В момент t=T и момент t=0 напряжение возрастает на 0,9 в

Уравнение стыковки в этот момент имеет вид

Решая эту систему, находим А₁ и А₂

Таким образом условия стыковки можно записать в виде:

0,47+0,005А₁-0,9=А₂

А₂=0,05А₁-0,43

0,43А₂+0,09=0,47+А₁

А₁=0,05А₂+0,43

А₁=0,05(0,05А₁-0,43)+0,43

0,998А₁=0,41 А₁=0,41

А₂=-0,41

Рис.10 Временная зависимость u₂(t)

Решение имеет вид

u₂(t)=0,47+0,41е^pt 0‹t‹ Т/2

Расчет комплексного коэффициента передачи. Расчет амплитудно- частотных и фазо- частотных характеристик четырехполюсников. (см. Л5 стр 22-27).

Расчет реакции цепи на импульсный сигнал. ( см.Л3 стр9-11)

Расчет реакции на последовательность импульсных сигналов методом припасовывания (Л3 стр. 14-21).

Расчет полосковой лини (Л4).

Приложения.

Таблица 1

Параметры высокочастотных материалов

Таблица 2

Электропроводность металлов

Таблица 3

ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ПО ВАРИАНТАМ

(уточняются при выдаче по группам)

Диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная вакуума)

ЛИТЕРАТУРА

1. К.С. Демирчян, Л .Р. Нейман и др. Теоретические основы электротехники, том 2. ,гл.17,18 - Санкт-Петербург, Питер.2003, 575с.

2. В И. Вольман, Ю.В. Пименов. Техническая электродинамика.- Москва Связь, 1973, 487 с

3. И. Л. Куликов, С. С. Николаев, Анализ и расчет переходных процессов в электрических цепях при произвольных и импульсных периодических воздействиях. - М. Издательство МГТУ, 2002, 65с.

4. С. С. Николаев, В. Ф. Судаков, Анализ и расчет электротехнических устройств с использованием линий с распределенными параметрами. – М. Издательство МГТУ, 2007, 24 с.

5. Б. В. Стрелков, Ю. Г. Шерстняков, Анализ установившихся и переходных режимов в линейных электрических цепях.- М.

Издательство МГТУ, 2001, 44 с.

6.Курсовая работа по электротехнике для студентов специальности ИУ3