Радиотехнические цепи и сигналы

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________________________

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ 

И СИГНАЛЫ

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Под редакцией проф. А.Н. Яковлева

НОВОСИБИРСК

2008

УДК 621.372 (076.5)

Р 154

Авторский коллектив:

В.Я. Баскей, В.Н. Васюков,
В.М. Меренков, А.Н. Яковлев

Рецензенты:  

д-р техн. наук, проф. С.П. Новицкий,

д-р техн. наук, доц. В.П. Разинкин

Работа подготовлена на кафедре теоретических основ радиотехники 

для студентов II и III курсов радиотехнических специальностей

Р 154
Радиотехнические цепи и сигналы. Лабораторные рабо
ты : учеб. пособие / В.Я. Баскей, В.Н. Васюков, В.М. Меренков, 
А.Н. Яковлев; под ред. А.Н. Яковлева – Новосибирск : Изд-во 
НГТУ, 2008. – 168 с.

ISBN 978-5-7782-1102-5

В пособии даны описания лабораторных работ по сигналам, ли
нейным и нелинейным радиотехническим цепям, прохождению детерминированных и случайных процессов через эти цепи.

Для студентов радиотехнических специальностей факультета радио
техники и электроники и других факультетов, где теория радиотехнических цепей и сигналов изучается как важнейшая составная часть соответствующих курсов.

УДК 621.372 (076.5)

ISBN 978-5-7782-1102-5
© Коллектив авторов, 2008
© Новосибирский государственный

технический университет, 2008

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие содержит описание двенадцати лабо
раторных работ по основным разделам курса «Радиотехнические цепи 
и сигналы» (РТЦиС). Оно может быть использовано также для изучения других дисциплин, таких как «Теория электрической связи», «Основы радиотехники», «Основы радиотехники и электроники», «Теоретические основы радиотехники», «Основы теории цепей и сигналов», и 
других, включающих в свою программу теорию детерминированных и 
случайных процессов, теорию радиоцепей, методы исследования воздействия сигналов на линейные и нелинейные цепи.

Работы поставлены так, что позволяют преподавателю индивидуа
лизировать как сами работы, так и задания, выдаваемые каждой бригаде.

В каждой работе даны теоретические сведения в объеме, необхо
димом для выполнения предварительного и практического заданий. 
При их разработке авторы исходили из необходимости проведения 
студентами предварительных расчетов, а затем практической проверки 
результатов на стенде, сопоставительного анализа экспериментальных 
данных с расчетными. 

В конце каждой работы приведены контрольные вопросы.
В приложениях представлены основные характеристики лабора
торного стенда и справочный материал (формулы, графики, таблицы). 

Большая часть пособия написана А.Н. Яковлевым. В.Я. Баскеем на
писаны введение, работа № 1 и приложение № 1, разработаны анализатор и синтезатор сигналов в базисе функций Уолша, синтезатор в базисе 
гармонических функций, амплитудный модулятор и генератор радиоимпульсов. В.Н. Васюковым написана работа № 4. Виртуальная приборная часть к ней выполнена А.Н. Подовинниковым. Работа № 7 –
В.М. Меренковым.

Авторы благодарят рецензентов профессоров С.П. Новицкого и 

В.П. Разинкина за сделанные критические замечания.

ВВЕДЕНИЕ

При экспериментальном исследовании сигналов, радиотехнических 

цепей и прохождения сигналов через радиоцепи мы вынуждены проводить соответствующие измерения и использовать измерительные 
приборы.

Любой измерительный прибор состоит из трех основных частей –

преобразователя, измерителя и индикатора, причем иногда возможно 
совмещение отдельных частей. Например, в простейшем вольтметре 
преобразователь – добавочное сопротивление, а измеритель и индикатор совмещены и представляют собой токовую измерительную головку.

По мере развития измерительной техники усложнялись и совер
шенствовались все три основные части измерительных приборов, и в 
настоящее время, когда говорят об аналоговых, цифровых или виртуальных измерительных приборах, сложно разобраться, что подразумевается под тем или иным названием. Попробуем установить простейшую, пусть и грубую, классификацию для используемых измерительных приборов.

1. Аналоговым будем называть прибор, у которого преобразова
тельное, измерительное и индикаторное устройства – аналоговые любой сложности. Аналоговым будет прибор, у которого преобразователь 
и измеритель аналоговые, а индикатор – цифровой.

2. Цифровым или дискретным будем называть прибор, у которо
го преобразователь цифровой (дискретный), измерение производится в 
цифровом виде, а индикатор – цифровой дисплей.

3. Виртуальным будем называть прибор, физически не сущест
вующий. Это программа, имитирующая работу прибора. Преобразователя не имеет. На вход поступает последовательность чисел. Чаще 
всего это вычислительная и индикаторная часть дискретного прибора.

Добавляя плату АЦП, можно получить цифровые (дискретные) 

приборы. Для генераторов, добавляя ЦАП, можно получить цифровые 
(дискретные) генераторы сигналов.

Современные аналоговые приборы (вольтметры, осциллографы и 

т. д.), которые широко использовались в прошлом столетии (рис. В.1), 
постепенно вытесняются цифровыми (дискретными) измерительными 

Измерительные генераторы.

Аналоговые реальные

Реальная
    цепь

Измерительные приборы.

Аналоговые реальные

Измерительные генераторы.
Измерительные приборы.
Реальная
    цепь
Цифровые виртуальные

Цифровой реальный прибор

ЦАП
АЦП

Цифровой реальный прибор

Цифровые виртуальные

Измерительные генераторы.
Цифровые виртуальные
Цифровые виртуальные
Измерительные приборы.
Виртуальная 
       цепь

Измерительные генераторы.
Цифровые виртуальные

Измерительные генераторы.

Аналоговые реальные

ЦАП
Реальная
    цепь

АЦП
Измерительные приборы.
Цифровые виртуальные

Измерительные приборы.
Аналоговые реальные

Лабораторная станция   "Ni ELVIS"

Рис. В.1

приборами. В таких приборах измеряемая величина подвергается дискретизации в соответствии с теоремой Котельникова, а затем полученный поток импульсов обрабатывается процессором вычислительной 
машины с использованием различных программ. Аналогично может 
происходить и обратное преобразование потока импульсов в аналоговый сигнал. При этом используются обычные системы АЦП и ЦАП. 
Скорость (шаг дискретизации 
t
 ) процесса определяется частотой 

преобразования 
в
F
(
в
1/ 2
t
F
 
), а точность – разрядностью платы 

АЦП или ЦАП (рис. В.2). 

Измерительные генераторы.

Аналоговые реальные

Реальная
    цепь

Измерительные приборы.

Аналоговые реальные

Измерительные генераторы.
Измерительные приборы.
Реальная
    цепь
Цифровые виртуальные

Цифровой реальный прибор

ЦАП
АЦП

Цифровой реальный прибор

Цифровые виртуальные

Измерительные генераторы.
Цифровые виртуальные
Цифровые виртуальные
Измерительные приборы.
Виртуальная 
       цепь

Измерительные генераторы.
Цифровые виртуальные

Измерительные генераторы.

Аналоговые реальные

ЦАП
Реальная
    цепь

АЦП
Измерительные приборы.
Цифровые виртуальные

Измерительные приборы.
Аналоговые реальные

Лабораторная станция   "Ni ELVIS"

Рис. В.2

В настоящее время существуют приборы с частотой преобразова
ния до 60 ГГц и разрядностью плат 12…16 бит. Например, одна из 
фирм разработала ряд осциллографов с полосой от 5 МГц до 18 ГГц и 
частотой дискретизации – от 100 МГц до 60 ГГц. 

Другое направление – это развитие чисто виртуальной техники по
строения схем и измерений в таких схемах. Эта область связана с бурным развитием программного обеспечения для современных компьютеров. Одна из первых программ этого ряда – программа MATLAB. Она 
позволяла строить виртуальные схемы и исследовать их математическими методами, лишь изредка используя некоторое подобие измерительных приборов, но имела очень мощный математический аппарат.

Дальнейшее развитие вычислительной техники сделало возмож
ным создание математических моделей элементов схемы с учетом потерь, тепловых характеристик, разброса параметров при изготовлении, 
вплоть до особенностей, обусловленных фирмой-изготовителем. Появилась возможность создавать математическое описание любых реальных элементов и, следовательно, любых реальных цепей.

Возникло понятие виртуальной цепи и виртуального прибора для 

работы с такими цепями. Такие приборы могут являться точной копией реальных измерительных приборов, но существуют только в виде 
программного обеспечения соответствующих измерительных устройств. Например, программа «Electronic Workbench» (EWB) имеет не 
такой мощный математический аппарат, как MATLAB, но более проста и удобна для пользователя. Она позволяет легко построить любую 
схему, используя не только «идеальные», но и «реальные» элементы с 
заданным разбросом параметров, тепловыми уходами, потерями и т. д. 
Для измерений нет необходимости пользоваться непосредственно математическими методами, а можно использовать измерительные приборы, часть которых является виртуальной копией фирменных приборов.

Современная наследница EWB программная среда «Multisim-10» 

при составлении принципиальной схемы требует указать фирму, выпускающую данный элемент. Она предоставляет пользователю десятки 
различных измерительных приборов, начиная от простых генераторов 
сигналов и вольтметров (различного рода функциональные генераторы, осциллографы и мультиметры) и заканчивая точными виртуальными копиями фирменных заводских приборов, вплоть до внешнего 
вида, всех параметров и функций управления. Например, осциллограф 
четырехканальный фирмы «Tektronix» TDS 2024. Следует отметить 
большую группу приборов, предназначенную для работы с дискретной 
техникой: генератор слов (Word Generator), логический преобразователь (Logic Converter), логический анализатор (Logic Analyzer) и т. д. 
Более подробно со всеми этими приборами можно ознакомиться в среде «Multisim-10», выбрав в меню Simulate пункт Instruments. В этом 
случае цепи, в которых проводится измерение, и сами измерительные 
приборы являются виртуальными (рис. В.3).

Измерительные генераторы.

Аналоговые реальные

Реальная
    цепь

Измерительные приборы.

Аналоговые реальные

Измерительные генераторы.
Измерительные приборы.
Реальная
    цепь
Цифровые виртуальные

Цифровой реальный прибор

ЦАП
АЦП

Цифровой реальный прибор

Цифровые виртуальные

Измерительные генераторы.
Цифровые виртуальные
Цифровые виртуальные
Измерительные приборы.
Виртуальная 
       цепь

Измерительные генераторы.
Цифровые виртуальные

Измерительные генераторы.

Аналоговые реальные

ЦАП
Реальная
    цепь

АЦП
Измерительные приборы.
Цифровые виртуальные

Измерительные приборы.
Аналоговые реальные

Лабораторная станция   "Ni ELVIS"

Рис. В.3

Применение математического моделирования позволяет отказаться 

от дорогих современных цифровых измерительных приборов и создавать любые необходимые виртуальные цепи и измерительные приборы. Если по каким-то соображениям желательно применять реальные 
цепи и реальные измерительные приборы, то можно воспользоваться 
приставкой, содержащей АЦП и ЦАП преобразователи. При этом любой из виртуальных приборов превращается в обычный дискретный 
измерительный прибор, точность и частотный диапазон которого определяются параметрами АЦП и ЦАП и вполне удовлетворяют требованиям к приборам учебной лаборатории.

В лаборатории РТЦиС используются измерительные приборы 

фирмы «National Instruments» в программной среде «Multisim-10» и 
«LabVIEW» и лабораторная станция «NI ELVIS». В состав станции 
входит монтажная плата, которая позволяет собрать и смонтировать 
достаточно сложную схему из реальных элементов. Кроме монтажной 
платы в состав станции входят регулируемые и нерегулируемые блоки 
питания, управляемый функциональный генератор и группа контактных соединителей, позволяющих подключать к плате как реальные, 
так и виртуальные устройства. В состав процессора подключается плата сбора и обработки данных, содержащая АЦП и ЦАП с частотой 
дискретизации 1,25 МГц и разрядностью 12 бит (рис. В.4).

Измерительные генераторы.

Аналоговые реальные

Реальная
    цепь

Измерительные приборы.

Аналоговые реальные

Измерительные генераторы.
Измерительные приборы.
Реальная
    цепь
Цифровые виртуальные

Цифровой реальный прибор

ЦАП
АЦП

Цифровой реальный прибор

Цифровые виртуальные

Измерительные генераторы.
Цифровые виртуальные
Цифровые виртуальные
Измерительные приборы.
Виртуальная 
       цепь

Измерительные генераторы.
Цифровые виртуальные

Измерительные генераторы.

Аналоговые реальные

ЦАП
Реальная
    цепь

АЦП
Измерительные приборы.
Цифровые виртуальные

Измерительные приборы.
Аналоговые реальные

Лабораторная станция   "NI ELVIS"

Рис. В.4

Таким образом, «NI ELVIS» позволяет проводить лабораторные ра
боты с реальными или виртуальными макетами, используя для измерений как реальную (цифровые приборы), так и виртуальную аппаратуру. 
Следует учесть, что в среде «Multisim-10» и «LabVIEW» имеется до 
двух десятков различных виртуальных приборов, и при необходимости 
в среде «LabVIEW» можно создать любой нужный прибор. Многие из 
них превращаются в реальные цифровые измерительные приборы. Такой набор достаточен для проведения любых лабораторных работ. 

Существенную помощь при знакомстве с реальной лабораторной 

станцией при размещении и монтаже элементов на плате может ока

зать виртуальная станция NI ELVIS, входящая в программу «Multisim10». Она является виртуальной копией реальной станции, позволяет 
предварительно ознакомиться с рабочей станцией NI ELVIS и выполнить предварительный монтаж трехмерных виртуальных элементов на 
виртуальной плате, проверить внешний вид, правильность монтажа и 
работу схемы, а затем перенести этот монтаж на реальную монтажную 
плату станции. 

Описание некоторых приборов стенда, в том числе и лабораторной 

станции NI ELVIS, приведено в прил. 1.

Лабораторная работа № 1

ДИСКРЕТНЫЕ (КОМПЬЮТЕРНЫЕ) 

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 
И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ 

В ВИРТУАЛЬНЫХ И РЕАЛЬНЫХ СХЕМАХ 

1.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с составом и работой лабораторного стенда и его 

частей, установка и измерение параметров детерминированных сигналов.

1.2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Ознакомьтесь с основным составом виртуального лабораторного 

стенда (прил. 1). Изучите назначение, принцип работы и основные характеристики следующих приборов: 

 мультиметров – Multimeter XMM1 и многофункционального бы
стродействующего мультиметра (виртуальный аналог промышленного 
прибора 34401А);

 функциональных генераторов – Function Generator XFG1 и высо
кочастотного функционального генератора (виртуальный аналог промышленного прибора 33120А);

 осциллографов – Oscilloscope XSC1 и широкополосного двухка
нального осциллографа (виртуальный аналог промышленного прибора 
54622D);

 источников переменного тока для немодулированных и модули
рованных сигналов, индикаторных приборов (вольтметры, амперметры, индикаторы и т.д.) в среде «Multisim-10»;

 лабораторной станции NI ELVIS: состав, элементы управления и

контроля, подключение реальных и виртуальных цепей и измерительных приборов. 

2. Просмотрите контрольные вопросы, приведенные в конце рабо
ты. При защите лабораторной работы вам необходимо в той или иной 
форме отвечать на большинство из них.

3. Подготовьте бланк отчета к лабораторной работе. Форма титуль
ного листа отчета приведена на стенде лаборатории, а его содержание 
дано в конце лабораторной работы.

1.3. ПРАКТИЧЕСКОЕ (ЛАБОРАТОРНОЕ) ЗАДАНИЕ

Включите компьютер и дисплей. Затем нужно открыть диск «Edu
cation “Argon” (D)», папки «РТЦиС» и «Лабораторная работа № 1» и 
файл «Lab_Rab_1».

1. Ознакомьтесь с виртуальными измерительными приборами не
посредственно на рабочем месте. Для этого щелкните по кнопке «Аппаратура». Перед вами откроется экран с кратким описанием измерительной аппаратуры и возможностью более подробно рассмотреть любую группу аппаратуры, щелкнув по соответствующей кнопке. При 
этом для каждого прибора показаны его изображение на принципиальной схеме, панель управления и установки параметров. Для некоторых 
приборов имеется кнопка «Дополнительно», щелчком по которой 
можно вызвать более подробное описание порядка включения прибора 
и установки его параметров. Основное внимание обратите на такие 
вопросы, как порядок работы соответствующего устройства или прибора, назначение и использование органов управления, проведение измерений. Прежде чем переходить к измерениям, внимательно ознакомьтесь с приборами вашего стенда (рис 1.1). 

Рис. 1.1. Схема измерений параметров сигналов

2. Установите и измерьте основные параметры простейших перио
дических сигналов. Для этого, щелкнув по кнопке «Выход», вернитесь