Различия
Показаны различия между двумя версиями страницы.
| Предыдущая версия справа и слеваПредыдущая версияСледующая версия | Предыдущая версия | ||
| lab5:теория_55 [2019/04/15 19:44] – sim | lab5:теория_55 [2019/10/01 06:52] (текущий) – [Библиографический список] root_s | ||
|---|---|---|---|
| Строка 1: | Строка 1: | ||
| - | __false__ | + | ===== Резонансные колебательные системы ===== |
| + | |||
| + | Работа посвящена экспериментальному изучению практического применения колебательных контуров как резонансных систем. С общим теоретическим описанием процессов в контуре необходимо познакомиться в параграфе 4 общего введения к сборнику. Ниже приведены лишь минимальные теоретические сведения, | ||
| + | |||
| + | Колебательный контур является типичным представителем резонансных колебательных систем, | ||
| + | |||
| + | - свойство // | ||
| + | - свойство // | ||
| + | - свойство сохранять энергию в своей системе в виде циклического перехода одного ее вида в другой, | ||
| + | |||
| + | Колебательные системы бывают с сосредоточенными и распределенными параметрами. Пример механической резонансной системы с распределенными параметрами — струна или упругий стержень, | ||
| + | |||
| + | Любая резонансная система характеризуется двумя основными параметрами: | ||
| + | |||
| + | |||
| + | ===== Свободные колебания, | ||
| + | |||
| + | В простейшем случае реальный колебательный контур состоит всего из двух деталей -- катушки индуктивности и конденсатора, | ||
| + | Основной вклад в сопротивление $R_L$ обычно вносит омическое сопротивление провода, | ||
| + | \begin{equation} | ||
| + | f_{0} =\frac{1}{2\pi \sqrt{LC} } , \ \ Q=\frac{\omega L}{R_{L} } =\frac{1}{\omega CR_{L} } =\frac{\rho }{R_{L} } \ \ \rho =\sqrt{\frac{L}{C} } . | ||
| + | \end{equation} | ||
| + | |||
| + | Величина $\rho $ называется // | ||
| + | |||
| + | Энергия может быть введена в контур самыми различными способами, | ||
| + | $R_L = 0,$ то конденсатор перезарядился бы до той же величины $U_C,$ но противоположного знака заряда. | ||
| + | {{ : | ||
| + | В реальном контуре часть энергии за цикл перезарядки будет рассеиваться на $R_L$ и колебания в контуре будут затухающими (рис. 2). Величина затухания $\delta$ однозначно связана с добротностью (п. 3.4 введения): | ||
| + | $$ | ||
| + | \delta = \frac{\pi}{QТ} = \frac{R_L}{2L}. | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | ===== Вынужденные колебания ===== | ||
| + | |||
| + | Для поддержания незатухающих колебаний энергия потерь в контуре должна постоянно восполняться от внешнего генератора. В зависимости от способа подключения генератора к контуру различают последовательный и параллельный КК (рис. 3). {{ : | ||
| + | |||
| + | При практической работе с колебательными контурами важно отличать реальные резисторы, | ||
| + | {{ : | ||
| + | На рис. 4 изображены два варианта подключения колебательного контура к внешнему генератору сигналов. Резистор R в цепи контура --- это реальный резистор с малым сопротивлением 1...5 Ом, а $R_1$ --- это добавочный резистор, | ||
| + | |||
| + | // | ||
| + | |||
| + | // | ||
| + | |||
| + | // | ||
| + | |||
| + | Однако для того, чтобы реализовать добротность контура $Q$ близкую к теоретической (формулы 1, 2), величины сопротивлений резисторов $R$ и $R_1$ должны удовлетворять определенным условиям, | ||
| + | |||
| + | Рассмотрим условия, | ||
| + | $R_L' = R_i+ R_L$ увеличилось бы более чем в два раза, что привело бы к уменьшению добротности контура $Q = \frac{\omega L}{R_L' | ||
| + | |||
| + | Для уменьшения влияния параметров генератора на добротность контура на его выходе включен делитель напряжения | ||
| + | |||
| + | Конечно, | ||
| + | $$ | ||
| + | \frac{U_г}{U_д} | ||
| + | $$ | ||
| + | Но, как известно, | ||
| + | |||
| + | В // | ||
| + | \begin{equation} \label{GrindEQ__3_} | ||
| + | R_{э} =\frac{\frac LC}{R_L} =\frac{\rho ^{2} }{R_{L} } . | ||
| + | \end{equation} | ||
| + | |||
| + | Величина $R_э$ в десятки тысяч раз превосходит величину $R_L$! Физический смысл величины $R_э$ заключается в том, что при резонансе в цепи генератора отсутствует сдвиг фазы между током и напряжением, | ||
| + | |||
| + | При теоретическом анализе параллельного КК генератор удобнее представлять источником тока (рис. 6). {{ : | ||
| + | |||
| + | Таким образом, | ||
| + | ===== Измерение основных параметров колебательных контуров по резонансной кривой ===== | ||
| + | |||
| + | | ||
| + | |||
| + | Добротность определяется по формуле | ||
| + | $$ | ||
| + | Q = \frac{f_0}{2\Delta f}, | ||
| + | $$ | ||
| + | где $2\Delta f$ --- // | ||
| + | |||
| + | На рис. 7,б приведена фазо--частотная характеристика последовательного контура, | ||
| + | |||
| + | Для параллельного контура резонансная кривая имеет аналогичный вид и также служит для определения $f_0$ и $Q.$ Фазо--частотная характеристика параллельного контура «инвертирована» относительно оси абсцисс, | ||
| + | |||
| + | При экспериментальном исследовании важно отличать собственную добротность контура $Q$ от так называемой // | ||
| + | |||
| + | |||
| + | Сопротивления $R_{i}' | ||
| + | \begin{equation} \label{GrindEQ__5_} | ||
| + | Q' | ||
| + | \end{equation} | ||
| + | где $Q$ и $\rho $ --- собственная | ||
| + | $$ | ||
| + | R^* = \frac{R_{i}' | ||
| + | $$ | ||
| + | --- параллельное соединение сопротивлений $R_{i}$' | ||
| + | |||
| + | Если выполнено условие $R_{i}' | ||
| + | |||
| + | Формула выведена в предположении, | ||
| + | ===== Модуляция и демодуляция сигналов ===== | ||
| + | |||
| + | Основные соотношения для контуров выводятся в рамках теории линейных колебаний. Условием линейности колебаний является независимость параметров контура $L,$ $С$ и $R_{L}$ от амплитуды токов и напряжений в контуре. Но большинство практических применений контуров в радиотехнике основано на нелинейных явлениях, | ||
| + | |||
| + | ==== Амплитудная модуляция колебаний ==== | ||
| + | Синусоидальная функция имеет три постоянных не зависящих от времени параметра: | ||
| + | \[A\left(t\right)=A_{0} \sin \left(\omega t+\psi \right).\] | ||
| + | |||
| + | Изменение во времени одного из этих параметров называется // | ||
| + | |||
| + | Рассмотрим простейший случай // | ||
| + | {{ : | ||
| + | |||
| + | Модулированный сигнал в этом случае будет представлен функцией | ||
| + | \begin{equation} \label{GrindEQ__8_} | ||
| + | A(t)=A_{m} \left(t\right)\sin \left(\omega _{0} t\right)=A_{0m} \left(1+m\cos \left(\Omega t\right)\right)\sin \left(\omega _{0} t\right) | ||
| + | \end{equation} | ||
| + | где $m$ --- // | ||
| + | \[ | ||
| + | A_{m} \left(\Omega , | ||
| + | \] | ||
| + | где $A_m(t)$ --- огибающая модулированного сигнала, | ||
| + | \[ | ||
| + | A_{m} \left(t\right)=A_{0m} \left(1+m\cos \left(\Omega t\right)\right). | ||
| + | \] | ||
| + | Подставив в (8) значения | ||
| + | $$ | ||
| + | \cos (\Omega t) \sin (\omega_{0}t) = 0,5 [\sin((\omega _{0} -\Omega)t) + \sin((\omega _{0} + \Omega )t)], | ||
| + | $$ | ||
| + | получим //три составляющих модулированного сигнала// | ||
| + | \[ | ||
| + | A\left(t\right)=A_{0} \sin \left(\omega _{0} t\right)+A_{2m} \sin \left(\omega _{1} t\right)+A_{2m} \sin \left(\omega _{2} t\right), | ||
| + | \] | ||
| + | где | ||
| + | $А_{2m} = \frac 12 mА_{0}; | ||
| + | |||
| + | Таким образом, | ||
| + | * колебания с // | ||
| + | * двух колебаний // | ||
| + | |||
| + | Спектр амплитудно модулированного сигнала представлен на рис. 9,б. | ||
| + | {{ : | ||
| + | Огибающая и ее спектр представлены на рис. 10,а,б. Спектр огибающей легко получить, | ||
| + | $\cos(\Omega t) = \cos(-\Omega t)$ и записав огибающую функцию в виде | ||
| + | \[ | ||
| + | A_{m} \left(t\right)=\left(\frac{mA_{0m}}{2}\right)\cos \left(-\Omega t\right)+A_{0m} +\left(\frac{mA_{0m}}{2} \right)\cos \left(\Omega t\right). | ||
| + | \] | ||
| + | |||
| + | Средняя компонента --- это постоянная составляющая (частота равна нулю), две крайние имеют частоты $\pm \Omega .$ Легко заметить, | ||
| + | |||
| + | Самое широкое применение амплитудная модуляция находит в радиотехнике, | ||
| + | \[ | ||
| + | A_{\Omega } (t)=\sum _{j=1}^{n}A_{\Omega j} \cos (\Omega _{j} t+\psi _{j} )=\sum _{j=1}^{n}A_{\Omega j} \cos \lambda _{j} . | ||
| + | \] | ||
| + | |||
| + | Само модулированное колебание в этом случае записывается в виде | ||
| + | \begin{equation} \label{GrindEQ__9_} | ||
| + | U(t)=U_{0} \left[1+\sum _{j=1}^{n}A_{\Omega j} \cos (\Omega _{j} t+\psi _{j} )\right]\cos \left(\omega t+\phi \right)=E\left(t\right)\cos \Phi . | ||
| + | \end{equation} | ||
| + | |||
| + | Из этих двух выражений видно, что для амплитудной модуляции формально необходимо осуществить // | ||
| + | |||
| + | ==== Детектирование (демодуляция) амплитудно модулированных сигналов ==== | ||
| + | Сигнал радиопередающей станции, | ||
| + | {{ : | ||
| + | |||
| + | Схема простейшего диодного детектора амплитудно модулированного сигнала изображена на рис. 11. Источник модулированного сигнала $U(t) = Е(t) cos (\Phi )$ представлен эквивалентным генератором, | ||
| + | {{ : | ||
| + | |||
| + | Процесс детектирования заключается в следующем. При достаточно большом напряжении сигнала $U(t)$ вольт--амперную характеристику диода VD можно аппроксимировать ломаной линией, | ||
| + | $$ | ||
| + | I(t) = I_0(t) + I_1(t) \cos(\Phi) + I_2(t) \cos(2\Phi) + \ldots | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Постоянная составляющая | ||
| + | |||
| + | Ток $I_{{д}}$, протекающий через диод в положительные полупериоды напряжения $U(t),$ заряжает конденсатор фильтра $С$ с постоянной времени $\tau_{0} = R_{д}С, | ||
| + | где $R_{{д}}$ --- сопротивление открытого диода (выходным сопротивлением источника сигнала мы пренебрегли, | ||
| + | |||
| + | В отрицательные полупериоды диод закрыт и конденсатор разряжается через сопротивление фильтра $R$ с постоянной времени | ||
| + | |||
| + | При условии $R \gg (\omega_0С)^{-1}, | ||
| + | |||
| + | Следует заметить, | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | ===== Библиографический список ===== | ||
| + | |||
| + | - Мандельштам Л.И., Лекции по теории колебаний. М.: Наука, 1972. | ||
| + | - Горелик Г.С., Колебания и волны. М.: Физматгиз, | ||
| + | - Бессонов Л.А., Теоретические основы электротехники. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. М.: «Высш. Школа», | ||
| + | - Радиотехнические цепи и сигналы: | ||
| + | - Физическая энциклопедия. Гл. ред. А. М. Прохоров. М.: Сов. энциклопедия. Т.1. 1988. 704 с.; Т.2. 1990. 703 с.; | ||
| + | - Большая российская энциклопедия. Т. 3. 1992. 672 с.; Большая российская энциклопедия. Т. 4. 1994. 704 с.; | ||
| + | - Большая российская энциклопедия. Т. 5. 1998. 760 с. Статьи: | ||
| + | - Волгов В.А., Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. М., «Энергия», | ||
| + | |||
| + | |||
| + | Назад к [[lab5: | ||
| + | [[: | ||