Geum.ru

Рабочая программа методические указания контрольные задания для студентов специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника» заочной формы обучения

Вид материалаРабочая программа

Содержание


4. Методические указания
Подобный материал:
1   2   3   4




3. ЛИТЕРАТУРА


3.1 Основная

3.1.1. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов / С. И. Баскаков. – М. : Высш. шк., 1988.

3.1.2. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов / С. И. Гоноровский,. – М. : Радио и связь, 1986.

3.1.3. Опадчий, Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс) : учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, О. П. Глудкин, А. И. Гуров ; под ред. О. П. Глудкина. – М. : Горячая линия-Телеком, 2003.

3.1.4. Нефедов, В. И. Основы радиоэлектроники : учебник для вузов / В. И. Нефедов. – М. : Высш. шк., 2000.

3.1.5 Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко. –
СПб. : Питер, 2003.

3.1.6 Левин, Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Б. Р. Левин. – М. : Радио и связь, 1989.

3.1.7 Адаптивные фильтры / под ред. К. Ф. Н. Коуэна, П. М. Гранта ; пер. с англ. – М. : Мир, 1988.

3.1.8 Теоретические основы информационной техники : учеб. пособие для вузов / Ф. Е. Темников [и др.]. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергия, 1979.

3.1.9 Радиотехнические цепи и сигналы. Задачи и задания: Учебное пособие / Под ред. А. Н. Яковлева. – М.: ИНФА-М ; Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. – (Серия «Высшее оразование»).

3.1.10 Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы : Руководство к решению задач. – М.: Высшая школа, 1987.


3.2 Дополнительная

3.2.1 Радиотехнические цепи и сигналы : учеб. пособие для вузов / К. А. Самойло [и др.] ; под ред. К. А. Самойло – М. : Радио и связь, 1982.

3.2.2 Сиберт, У. М. Цепи, сигналы, системы. В 2 ч. Ч. 1 и 2 / У. М. Сиберт ; пер. с англ. – М. : Мир, 1998.

3.2.3 Левин, Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Б. Р. Левин. – М. : Радио и связь, 1989.

3.2.4 Ткаченко, Ф. А. Техническая электроника / Ф. А. Ткаченко. – Минск : Дизайн ПРО, 2002.

3.2.5 Расчёт электронных схем. Примеры и задачи : учеб. пособие для вузов / Г. И. Изьюрова [и др.]. – М.: Высш. шк., 1987.

3.2.6 Цифровые фильтры в электросвязи и радиотехнике / А. В. Брунченко [и др.] ; под ред. Л. М. Гольденберга. – М. : Радио и связь, 1982.

3.2.7 Новопашенный, Г. Н. Информационно-измерительные системы : учеб. пособие / Г. Н. Новопашенный. – М. : Высш. шк., 1977.

3.2.8 Цапенко, М. П. Измерительные информационные системы : структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование : учеб. пособие для вузов / М. П. Цапенко. – М. : Энергоатомиздат, 1985.

3.2.9 Новицкий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений / П. В. Новицкий. – Л. : Энергоатомиздат, 1985.

3.2.10 Новосёлов, О. Н. Основы теории и расчета информационно-измери- тельных систем / О. Н. Новосёлов, А. Ф. Фомин. – М. : Машиностроение, 1991.


4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ


4.1 Введение

Основной задачей информационно-измерительной техники, как отрасли современной науки и производства, является решение проблем, связанных с передачей измерительной информации посредством использования электрических колебаний.

Информация (сообщение) может быть определена как совокупность каких-либо сведений о состоянии объекта, системы и т. д., которую необходимо передать от источника информации к получателю.

Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине. Измерительный электрический сигнал (ИЭС) имеет существенные преимущества перед другими носителями информации в том, что:

– можно передавать измерительную информацию на большие расстояния;

– позволяет измерять быстро и медленно протекающие процессы;

– осуществлять сложную обработку измерительной информации при воздействии внешних (температуры, давления и т.д.) и внутренних (нестабильность источника питания, шумов электронных приборов и т.д.) помех;

– применять специальные электрические устройства (коммутаторы, модуляторы и т. д.) для построения многоканальных измерительных систем для передачи информации о различных физических процессах;

– запоминать и записывать на длительное время с помощью специальных устройств памяти и записи измерительной информации для дальнейшей ее обработки и применения.

Использование ЭИС в измерительной технике позволило строить сложные измерительные системы, которые представляют собой совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ, программных и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов для применения в различных целях.

Измерительные системы являются составной частью информационно-измерительных систем (ИИС), которые представляют собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств, предназначенных для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки с целью представления потребителю, управления и классификации (контроль, диагностика, обнаружение, распознавания и др.).

Необходимо изучить основные термины и определения, используемые в из-мерительной технике. Знать, какие бывают измерительные сигналы и какие фун-кциональные устройства применятся для обработки измерительных сигналов и уметь нарисовать обобщенную структурную схему информационно-измеритель-ного канала с пояснением назначения отдельных ее блоков.


Контрольные вопросы

1. Дайте определение “информация” и “измерительный сигнал”.

2. Почему для передачи информации используются электрические сигналы?

3. Нарисуйте структурную схему информационно-измерительного канала и поясните назначение входящих в нее блоков.

4.Какие основные термины и определения используются в информационно-измерительной технике?


4.2 Классификация измерительных сигналов и сигналов помех (Тема 1.1)


Необходимо изучить классификацию измерительных сигналов, которая зависит как от природы материального носителя информации (неэлектрические, электрические и комбинированные), так и от характера изменения параметров во времени (детерминированные, квазидетерминированные и случайные, периодические и непериодические, аналоговые непрерывные (континуальные) и аналого-импульсные, цифровые, элементарные и сложные).

Измерительные сигналы классифицируются по спектру (видеосигналы и радиосигналы) и по ширине спектра (узкополосные и широкополосные), кроме этого по типу модуляции информативного параметра сигнала-переносчика (для несущего аналогового гармонического сигнала – с амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) или с угловой (УМ); для несущего аналого-импульсного сигнала – с амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульс- ной (ШИМ или ДИМ), частотно-импульсной (ЧИМ) и фазоимпульсной (ФИМ); для несущего цифрового сигнала – с времяимпульсной (ВИМ) и кодово-импульсной (КИМ)).

По своему назначению измерительные сигналы могут быть испытательными и калибровочными.

Кроме измерительных сигналов необходимо изучить определение и классификация сигналов помех, воздействующих на полезный (измерительный) сигнал, в результате чего появляются искажения при передаче информации. Помехи подразделятся в зависимости от: воздействия на сигнал (аддитивные и мультипликативные); места возникновения (внешние и внутренние); вида частотного спектра помехи (белый и розовый шумы). Кроме этого они делятся по основным свойствам (флуктуационные, импульсные, сосредоточенные), которые могут быть детерминированными и случайными, а также зависят от способа возникновения – флуктуационные помехи или шумы (тепловой, дробовый и фликкер-шумы).


Контрольные вопросы
  1. Дайте классификацию измерительных сигналов. По каким признакам она

осуществляется?
  1. Что представляют собой сигналы помехи и по каким признакам они клас-

сифицируются?


4.3 Математическое описание детерминированных измерительных

сигналов (Тема 1.2)

Детерминированными называются такие сигналы, которые могут быть описаны точной аналитической функцией времени или частоты. В отличие от реальных случайных сигналов (процессов), аналитические характеристики которых являются статистическими, детерминированные сигналы являются удобной математической абстракцией, значительно упрощающей изучение отдельных электронных цепей. Однако всегда следует помнить, что многие задачи современной радиоэлектронной техники не могут быть решены без использования статистических методов.

При аналитическом описании детерминированного сигнала используется либо зависимость сигнала от времени (временное представление; представление во временной области), либо частотное представление (представление в частотной области; спектр), то есть количество и параметры колебаний достаточно простой формы определены так, что их сумма образует сигнал во временной области.

При анализе сигналов чаще всего пользуются их разложением по системе ортогональных функций. Такое разложение, имеющее ряд достоинств, называется обобщенным рядом Фурье. На практике применяются системы тригонометрических функций кратных аргументов (ряд Фурье), системы ортогональных полиномов (Лагерра, Чебышева и др.)

Необходимо изучить анализ периодических и непериодических сигналов с использованием систем гармонических сигналов (ряд Фурье и преобразования Фурье). Изучить спектры периодической последовательности прямоугольных импульсов, одиночного прямоугольного импульса. Знать соотношение между длительностью сигнала и шириной его спектра.

Необходимо знать основные теоремы о спектрах, которые позволяют значительно упрощать вычисления.


Контрольные вопросы

1. Как может быть описан детерминированный сигнал?

2.Что такое обобщенный ряд Фурье? Каковы достоинства разложения сигналов по системе ортогональных функций?

3. Что представляет собой система ортогональных ортогональных функций и ее свойства?

4. Какая связь существует между спектрами периодических и непериодических сигналов? В чем отличие спектров этих сигналов?

5. Как определяется ширина спектра и длительность сигнала?

6. Что представляет собой спектральная плотность сигнала?

7. Сформулируйте теорему Парсеваля. О чем говорит равенство Парсеваля?

8. Для каких целей используются теоремы о спектрах? Перечислите свойства преобразования Фурье.

9. Нарисуйте структурную схему принципа измерения спектров.


4.4 Корреляционный анализ детерминированных измерительных

сигналов (Тема 1.3)


В основе корреляционного анализа лежит установление статистической связи между сигналом и его копией или между двумя различными сигналами, сдвинутыми на некоторый интервал времени . В случае определения связи между сигналом и его копией получаем автокорреляционную функцию (АКФ), если устанавливается такая связь между различными сигналами, то получим взаимную автокорреляционную функцию (ВКФ).

Необходимо изучить основные свойства АКФ И ВКФ. Уметь построить графически АКФ для периодических сигналов: одиночного прямоугольного импульса, пачки импульсов, сигналов Баркера.

Знать связь между энергетическим спектром сигнала и его АКФ, ВКФ, уметь сформулировать соотношения Винера-Хинчина.


Контрольные вопросы
  1. Как математически описывается автокорреляционная функция?
  2. Как она связана с энергетическим спектром сигнала?
  3. Какие свойства автокорреляционной функции?

4. Как математически описывается взаимная корреляционная функция?

5. Как она связана с энергетическим спектром сигнала?

6. Какие свойства взаимной корреляционной функции?

7. Что определяют соотношения Винера-Хинчина?

8. Нарисуйте структурную схему коррелометра.

4.5 Модулированные сигналы (Тема 1.4)


Модулированные сигналы – радиосигналы – представляют собой высокочастотные колебания, в которых информация заключена в одном или нескольких его параметрах. При модуляции происходит преобразование спектра передаваемого сообщения из области низких частот, в которой расположен спектр передаваемой информации в область высоких частот вблизи 0 – частоты “несущего”

колебания. При изучении модулированных колебаний по амплитуде (АМ) и с угловой модуляцией (ЧМ и ФМ) необходимо знать их представление во временной области, их спектры и векторные диаграммы. Изучить зависимость спектра от параметров модулированного сигнала и от вида, а также спектра модулирующего сигнала; энергетические соотношения. Уметь давать сравнительную оценку сигналов с АМ и УМ. Необходимо знать автокорреляционную функцию (АКФ) сигнала внутриимпульсной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).

Контрольные вопросы
  1. Дайте определение модуляции. Какие виды модуляции знаете?
  2. Приведите аналитические выражения АМ, ЧМ и ФМ сигналов при раз-

личных модулирующих сигналах. Нарисуйте спектры этих сигналов.

3. Нарисуйте векторные диаграммы для АМ и ЧМ сигналов в случае однотонального модулирующего колебания.

4. В чем отличие между сигналами с АМ от сигналов с ЧМ?

5. Нарисуйте АКФ сигнала с ЛЧМ.

    1. Математическое описание случайных измерительных сигналов

(Тема 1.5)


Современный подход к анализу и синтезу радиоэлектронных устройств заключается в тот, что сигналы и помехи рассматриваются как случайные процессы, т. е. случайные функции времени.

Случайные процессы определяются общими статистическими характеристиками: дифференциальным или интегральным законом одномерного и многомерного распределения вероятностей. Для статистической обработки случайных процессов их представляют в виде ансамбля реализаций и указанные выше законы можно характеризовать с помощью начальных и центральных моментов различного порядка. Наиболее употребительны моменты первого и второго порядков – средние значения, дисперсии и др. Множество случайных процессов в природе можно разделить на два больших класса: нестационарные и стационарные. Стационарные процессы однородны во времени, их вероятностные характеристики не меняются при изменении начала отсчета времени. Среди всех стационарных случайных процессов наиболее удобны для анализа так называемые эргодические процессы. Их главная особенность в том, что статистические характеристики таких процессов, полученные усреднением по ансамлю возможных реализаций, не отличаются от характеристик, полученных усреднением во времени в пределах одной реализации.

Определения энергетического спектра и корреляционной функции для случайного процесса отличается соответствующих понятий, введенных для детерминированного сигнала тем, что они характеризуют распределение мощности (энергии) по частотам и меру связи между значениями процесса в среднем на множестве его возможных реализаций. Таким образом, энергетический спектр и корреляционная функция являются статистическими характеристиками частотных и временных свойств случайного процесса.

Необходимо изучить и уметь аналитически описывать характеристики случайных процессов (математическое ожидание, дисперсию, корреляционные и ковариационные функции). Знать связь спектральной плотности мощности (энергетический спектр) эргодического случайного процесса с корреляционными функциями (теорема Винера-Хинчина).


Контрольные вопросы
  1. Что понимается под случайным процессом и какие бывают разновидно-

сти случайных процессов?

2. Что такое “реализация случайного процесса”? “Ансамбль реализаций”?

3. Дайте определение стационарного, нестационарного и эргодического случайных процессов.

4. Какие характеристики используются для описания случайных процессов?

5. Сформулируйте теорему Винера-Хинчина. Что такое интервал корреляции и как он связан с шириной спектра случайного сигнала?

4.7 Квантование, дискретизация и кодирование измерительных

сигналов (Тема 1.6)


Все первичные природные сигналы макромира непрерывны по времени и размеру. В сущности, любой дискретный или цифровой сигнал как физический процесс является сигналом аналоговым.

Преобразование непрерывных измерительных сигналов в дискретные позволяет уплотнить канал передачи, разделяя ИС по времени. Цифровые сигналы, являясь разновидностью кодированных дискретных сигналов, позволяют расширить возможности их обработки.

Процедура превращения непрерывных ИС в дискретные состоит из двух этапов: дискретизации и квантования. В результате первого этапа непрерывный сигнал заменяется дискретными отсчётными значениями, взятыми через определённые интервалы времени, а второго – отсчётные значения заменяются на дискретные уровни с определённым интервалом (квантом). Необходимо изучить

принцип построения дискретной (цифровой) системы передачи информации. Знать виды дискретизации, возникающие при этом погрешности, и как осуществляется восстановление исходного сигнала. Как формулируется теорема Котельникова и что она позволяет получить.

Необходимо изучить преобразование временной функции и спектра, от чего зависит погрешность восстановления и как можно ее уменьшить. Каким образом осуществляется дискретизация сигналов конечной длительности и дискретизация спектров. Какие параметры сигнала связывает понятие число степеней свободы или базы сигнала.

Изучить принцип квантования, какие виды квантования могут применяться и в чем их отличие, какие при этом возникают погрешности. Каким образом квантованный сигнал может быть представлен цифровыми значениями и в чем состоит задача кодирования сигналов, по каким признакам классифицируются кодированные сигналы.


Контрольные вопросы
  1. В чем суть дискретизации и как она реализуется на примере дискретной

системы передачи информации?
  1. Какие применяются виды дискретизации и в чем их особенность?
  2. С чем связана погрешность дискретизации?
  3. Сформулируйте теорему Котельникова и запишите ее аналитическое вы-

выражение.

5. Как осуществляется преобразование временной функции и спектра и с чем связана погрешность восстановления исходного сигнала?

6. Как осуществляется дискретизация сигналов конечной длительности и дискретизация спектров?

7. Что такое база сигнала (число степеней свободы)?

8. В чем суть квантования и какие виды квантования могут применяться? С чем связана погрешность квантования?

9. Как осуществляется представление дискретного сигнала цифровыми значениями?

10. Какие задачи решатся в теории кодирования сигналов?

11. Как классифицируются коды и их основные характеристики?


4.8 Анализ прохождения измерительных сигналов через линейные

цепи (Тема 2.1)


Анализ прохождения детерминированных сигналов через линейные цепи может быть произведен либо с помощью классического метода (цепь описана дифференциальными уравнениями), либо с помощью временных методов (известна импульсная g(t) или переходная h(t) функции), либо с помощью спектрального метода (известна функция передачи k(j)). Так как линейные цепи подчиняются принципу суперпозиции, все методы являются универсальными и позволяют находить точные значения. В радиоэлектронике весьма распространен случай анализа прохождения модулированных (узкополосных) сигналов через избирательные (узкополосные) цепи. В этом случае анализ сводится к расчету прохождения комплексной огибающей радиосигнала, которая полностью отражает передаваемую информацию через так называемый низкочастотный эквивалент избирательной цепи, т. е. к нахождению комплексной огибающей на его выходе. Расчет может быть сделан либо временным методом (методом огибающей), либо с использованием упрощенного спектрального метода. Необходимо также рассмотреть на основе изученных методов воздействие прямоугольного видеоимпульса на апериодическую цепь и радиоимпульса с прямоугольной огибающей на резонансную цепь, а также изучить прохождение АМ и ЧМ сигналов через узкополосную цепь.

При передаче случайного процесса с нормальным распределением через линейную систему его закон распределения не изменится, поэтому в этом случае анализ сводится к определении спектральных или корреляционных характеристик. Необходимо знать основные соотношения, связывающие входные и выходные энергетические спектры и функции автокорреляции процессов с передаточной функцией и импульсной характеристикой системы. Если закон распределения входного случайного процесса отличается от нормального, то распределение на выходе инерционной линейной системы не совпадает с входным. В случае же прохождения широкополосного процесса через узкополосную цепь процесс на выходе всегда нормальный (эффект нормализации).


Контрольные вопросы
  1. Какие методы применяются для анализа линейных цепей?
  2. Какие характеристики используются для описания линейных цепей?
  3. Как влияет дифференцирующая RC-цепь на прохождение прямоуголь-

ного видеоимпульса?
  1. Как влияет интегрирующая RC-цепь на прохождение прямоугольного

видеоимпульса?
  1. В чем суть метода огибающей, метода мгновенной частоты? Для каких

целей они применятся?
  1. В чем особенность прохождения АМ и ЧМ через узкополосные цепи?
  2. Какие параметры случайного нормального процесса изменяются при про-

хождении через линейную систему?
  1. Как находится корреляционная функция случайного процесса на выходе

линейной цепи?

* 9. В чем суть эффекта нормализации?

    1. Анализ прохождения измерительных сигналов через нелинейные

цепи (Тема 2.2)


Нелинейные цепи в отличие от линейных не подчинятся принципу суперпозиции. Вследствие этого на их выходе возможно получение спектральных компонентов, отсутствующих во входном сигнале, т. е. могут ыть выполнены такие операции обработки сигналов, как модуляция, детектирование, умножение частоты, преобразование частоты, генерация сигналов, выпрямление и т. д.

Анализ (расчет) таких радиоэлектронных устройств, как правило, выполняется в следующей последовательности:

– аппроксимация (т. е. аналитическое представление) вольтамперной характеристики (ВАХ) нелинейного элемента. Необходимо изучить наиболее часто используемые способы аппроксимации: степенным полиномом и кусочно-линейной, и знать от чего зависит их применение. Что влияет на точность аппроксимации. Научиться рассчитывать коэффициенты аппроксимации;

– спектральный анализ тока на выходе нелинейного элемента. Такой анализ достаточно просто удается произвести только для случаев гармонического и бигармонического сигналов на входе нелинейного элемента. Необходимо изучить методы спектрального анализа с помощью тригонометрических формул кратного аргумента (кратных дуг), трех или пяти ординат, угла отсечки (метод А. И. Берга). Знать, как оцениваются нелинейные искажения.

При анализе прохождения случайных измерительных сигналов через безынерционные нелинейных цепи основная трудность состоит в нахождении корреляционной функции. При этом общих методов анализа воздействия случайных сигналов на нелинейные цепи нет. Ограничиваются решением некоторых частных задач, представляющих практический интерес.

Непосредственно определить энергетический спектр случайного сигнала на выходе нелинейной цепи также не представляется возможным. Поэтому, сначала определяют автокорреляционную функцию сигнала на выходе цепи и затем, применяя к ней прямое преобразования Фурье, определяют спектр сигнала.


Контрольные вопросы

1. Какими свойствами характеризуются нелинейные элементы?

2. Что означает “аппроксимация” и с помощью чего она реализуется?

3. Что означает режим «слабых» и «сильных» сигналов? На что они влияют?

4. От чего зависит точность аппроксимации?

5. Как влияет нелинейная цепь на прохождение гармонического и бигармонического сигналов?

6. Как осуществляется оценка нелинейных искажений?

7. Какие функциональные преобразования можно осуществить в нелинейной цепи и почему?

8. От чего зависит преобразование случайного сигнала в нелинейной цепи?

9. Как находится одномерная плотность вероятности случайного процесса на выходе нелинейной безынерционной цепи? Корреляционная функция? Энергетический спектр?


4.10 Классификация и основные характеристики фильтров (Тема 2.3)


Частотно-избирательные цепи содержащие частотно-зависимые элементы и предназначенные для формирования электрических сигналов с заданными свойствами, коррекции их частотных (линейных) искажений и выделения определённой области спектра сигналов называются фильтрами.

Фильтры являются важным частотно-избирательным (селективным) элементом устройств радиоэлектронной техники и они классифицируются в зависимости от вида амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), по своему назначению, по типу применяемых элементов, по типу реализуемых передаточных функций (Баттерворта, Чебышева и т.д.). Необходимо изучить связь частотного коэффициента передачи фильтра с его импульсной характеристикой. Знать способы соединения фильтров.

Контрольные вопросы
  1. По каким признакам классифицируются фильтры и их основные характе-

ристики?
  1. Чем особенность фильтров типа Баттерворта, Чебышева. Кауэра, Бессе-

ля?

3. Как связаны между собой частотный коэффициент передачи и его импульсная характеристика?

4. Какие способы соединения фильтров знаете?