Блок «Частотные характеристики цепей»

Блок «Частотные характеристики цепей» предназначен для автоматизации измерения и визуализации АЧХ и ФЧХ. Кроме того, программное обеспечение может сравнить измеренные характеристики с расчетными АЧХ и ФЧХ цепей. Для этого имеются раздельные режимы работы с АЧХ, ФЧХ и совместный режим работы АЧХ и ФЧХ.

Рис. 1. Интерфейс блока «Частотные характеристики цепей»

С помощью клавиш «Измер.» и «Расч.» можно отображать на экране отдельно амплитудную характеристику, отдельно фазовую характеристики, либо совместно обе характеристики. Для удобства пользователя имеется возможность сопровождать процесс построения характеристик соответствующими звуковыми сигналами, которые при желании можно отключить. Настройки характеристик входного сигнала задаются пользователем. В данном блоке (как и в блоке «Характеристики нелинейных цепей») для запуска измерения пользователю необходимо нажать на кнопку «Запуск», при этом автоматически будет выбран масштаб диапазон измерений по осям X и Y. Диапазон представления результатов измерений ограничивается заданными пользователем значениями.

В блок заложены основные математические модели частотных характеристик стандартных радиотехнических цепей. У моделей есть изменяемые параметры (резонансная частота, частота среза, добротность и др.), с помощью которых можно сформировать параметры теоретической кривой. Измеренную и теоретическую частотные характеристики можно совмещать на экране компьютера, при этом автоматически подбирать параметры реальной цепи. Под параметрами реальной цепи понимается в том числе математическая формула, описывающая данную цепь (рис. 1). Для сравнения используются модели, описывающие реальные физические процессы в объектах исследуемого типа (LC-контурах, усилителях и пр.). Не смотря на кажущуюся простоту использования бикубической интерполяции, а также сплайн-функций, такая аппроксимация не отражает физическую природу процессов, происходящих в радиотехнических цепях и в предлагаемых моделях не используется. Достаточно ограниченного объема измерений для получения приемлемой для инженерных целей точности аппроксимации. В блоке «Частотные характеристики цепей» есть встроенная функция сохранения используемых данных, позволяющая многократно повторять необходимые исследования.

Блок "Характеристики нелинейных цепей"

В этом Блоке можно в автоматическом режиме исследовать колебательные, модуляционные, детекторные и иные характеристики цепей.

Рис. 2. Интерфейс блока "Характеристики нелинейных цепей"

Внешний вид интерфейса блока "Характеристики нелинейных цепей" представлена на рис. 2. Он имеет много общего в способах управления с блоком "Частотные характеристики цепей". Аналогично предыдущему блоку, с помощью клавиш "Измер." и "Расч." Можно выводить на экран отдельно измеренные и расчетные характеристики, либо их совмещение. Пользователь устанавливает пределы измерений самостоятельно. Для старта эксперимента достаточно нажать клавишу "Запуск". Внутри клавиши есть кнопка, предназначенная для однократного измерения. Для удобства пользователя имеется возможность сопровождать процесс построения характеристик соответствующими звуковыми сигналами, которые при желании можно отключить. В качестве теоретических описаний в Блоке заложены модели характеристик резонансного усилителя и детектора.

Блок «Характеристики сигналов и цепей»

Блок "Характеристики сигналов и цепей" позволяет наблюдать осциллограммы и спектры сигналов исследуемых процессов по отдельности и в совмещенном режиме.

На рис. 3 приведен интерфейс Блока «Характеристики сигналов и цепей». Этот Блок обеспечивает генерацию и измерение стандартных радиотехнических сигналов с частотой от 5 Гц до 500 кГц.

Рис. 3. Интерфейс блока «Характеристики сигналов и цепей»

Блок позволяет отображать осциллограммы и/или спектры исследуемых сигналов. В Блоке заложена возможность одновременного отображения до четырех измеряемых сигналов. Эти сигналы:

- расчетный входной сигнал «Расч.вх», формируемый исходя из теоретических соображений;

- физически сгенерированный сигнал «Генер», который Блок сгенерировал в соответствии с заданными теоретическими данными;

- физически отклик сигнала после прохождения через исследуемую схему «Измер»;

- расчетный выходной сигнал «Расч.вых», теоретически рассчитанный сигнал, который должен быть на выходе исследуемой цепи. Имеется возможность формирования как стандартных сигналов типа гармонический, полигармонический (с произвольным числом гармоник), прямоугольный, треугольный, пилообразный, так и произвольный сигнал, заданный с помощью точек и используемый в качестве «Расч.вх». Все перечисленные сигналы могут быть использованы в качестве модулирующих. Виды модуляции: амплитудная или угловая. Интерфейс блока позволяет задавать вид и параметры этих сигналов. В Блоке предусмотрена возможность математического моделирования сигналов на выходе стандартных радиотехнических цепей. Предполагается что на данные цепи будет воздействие базовых радиотехнических сигналов. В Блоке имеются теоретические модели следующих радиотехнических цепей:

- ФНЧ (однозвенный, двухзвенный, Баттерворта, Чебышева);

- ФВЧ (однозвенный, двухзвенный);

- полосовой фильтр

- последовательный контур (выход с резистора, конденсатора или катушки индуктивности контура)

- параллельный контур (на входе источник тока идеальный, источник тока реальный, источник ЭДС)

- резонансный усилитель (одноконтурный, двухконтурный).

Интерфейс позволяет выбирать параметры перечисленных радиотехнических цепей. Наряду с практическими исследованиями допускается математическое моделирование реакций цепей при различных воздействиях. В этом случае система работает в режиме имитации. Для перечисленных цепей в интерфейсе отображается модель исследуемого узла в виде математической формулы.

Рис. 4. Интерфейс «Мультиметр»

Дополнительно в данный Блок «Характеристики сигналов и цепей» встроен измеритель параметров гармонического сигнала (мультиметр), который имеет вид, представленный на рис. 4. Допускается совместная работа мультиметра и остальных генераторов и измерителей в данном Блоке.

Блок «Случайные процессы»

С помощью данного Блока можно исследовать законы распределения (интегральные и дифференциальные), энергетические спектры, корреляционные функции (нормированные и ненормированные), наблюдать реализации случайных процессов.

В генераторно-измерительной системе Блок «Случайные процессы» интерфейс имеет отличия от описанных ранее в связи с его функциональными особенностями. В данном Блоке введены дополнительные органы управления.

Рис. 5. Интерфейс блока «Случайные процессы»

Данный Блок позволяет исследовать случайные процессы и их прохождения через различные радиотехнические цепи. В Блоке заложена возможность формирования отдельных реализаций случайных процессов и исследования прохождения этих реализаций через линейные и нелинейные цепи. Также возможно наблюдение осциллограмм, дифференциальных и интегральных законов распределения, как нормированных, так и ненормированных корреляционных функций этих процессов. Интерфейс Блока «Случайные процессы» представлен на рисунке 5. В Блоке рассматриваются следующие процессы:

- квазидетерминированные - пилообразный, меандр, трапеция и т.д.;

- гармонический со случайной начальной фазой;

- некоррелированный с различными законами распределения;

- коррелированные с нормальным законом распределения.

Параметры этих процессов задаются пользователем с использованием интерфейса Блока. Интерфейс блока позволяет для всех описанных процессов наблюдать:

- осциллограммы;

- законы распределения и энергетические спектры;

- функции корреляции. Описанные процессы могут быть поданы на вход стандартных радиотехнических цепей. При этом моделируются:

- линейные инерционные цепи (ФНЧ, ФВЧ, колебательный контур, фильтр Баттерворта и/или Чебышева);

- нелинейные безынерционные цепи типа: у=f(х), у=|х|, у=х²;

- амплитудный детектор, позволяющий выделить огибающую случайного процесса. Формирование в цифровом виде случайных сигналов с нужными законами распределения и корреляционными функциями представляет определенную трудность, но несмотря на это, данная задача была решена с приемлемой для инженерных приложений точностью. Это достигнуто благодаря применению оригинального алгоритма, позволившего независимо управлять корреляционной функцией и законом распределения. Результат работы этого алгоритма представлен на рис. 6.

Все перечисленное позволяет исследовать прохождение радиотехнических сигналов в учебных целях.

Рис. 6. Реализации, закон распределения и корреляционная функция случайного процесса

Алгоритм основан на методах цифровой сортировки и подробно описан в публикациях по тематике данной работы.