ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО КОЛЕБАНИЯ В НЕЛИНЕЙНОЙ БЕЗЫНЕРЦИОННОЙ ЦЕПИ
Цель работы — исследование преобразования гармонического колебания в нелинейной безынерционной цепи и анализ такого преобразования с использованием кусочно-линейной аппроксимации вольт-амперной характеристики нелинейного элемента.
Теоретические сведения
Для преобразования и обработки сигналов наряду с линейными цепями широко применяются нелинейные цепи. Для линейных цепей справедлив принцип суперпозиции, который в общем виде математически выражается следующим образом:
L[s1(t) + s2(t) + … + sn(t)] = L[s1(t)] + L[s2(t)] + … + L[sn(t)], (9.1)
где L — оператор, характеризующий преобразование сигнала s(t) цепью.
Рис. 9.1 |
Радиотехническая цепь является нелинейной, если в ее состав входят один или несколько элементов, для которых соотношение (9.1) несправедливо, т. е. параметры которых, а следовательно, и вид оператора L зависят от уровня входного сигнала. Простейшим примером нелинейного элемента является полупроводниковый диод, типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) i = f(u) которого показана на рис. 9.1. Если предположить, что оператор L в формуле (9.1) выражает зависимость i = f(u), то очевидно, что это соотношение не будет выполняться: именно, напряжению u1 соответствует ток i1, напряжению u2 — ток i2, но соответствующий напряжению u3 = u1 + u2 ток i3 ¹ i1 + i2.
Различают резистивные (сопротивления) и реактивные (индуктивности и емкости) нелинейные элементы. Например, полупроводниковый диод при теоретическом анализе часто считают резистивным нелинейным элементом.
|
|
Здесь существенным является то обстоятельство, что ВАХ резистивного нелинейного элемента i = f(u) не содержит в явном виде времени. Физически это означает безынерционность резистивного нелинейного элемента, т. е. мгновенно следующее за изменением внешнего входного воздействия установление выходной реакции. Кроме диодов, к резистивным нелинейным элементам при анализе часто относят биполярные и полевые транзисторы, электровакуумные приборы (лампы) и т. д.
К инерционным нелинейным элементам относятся нелинейные реактивные элементы. Примером такого элемента служит варикап — специальный полупроводниковый диод, используемый как конденсатор с электрически управляемой емкостью. Связь между током и напряжением на нелинейной емкости выражается формулой
,
в которую время входит явно.
Эквивалентная схема любого полупроводникового или электровакуумного элемента содержит так называемые собственные (паразитные) емкости и индуктивности. Поэтому безынерционных нелинейных элементов, строго говоря, не существует. Это представление удобно для теоретического анализа преобразований радиосигналов в нелинейных цепях. Соответствие такой модели по своим свойствам реальному элементу определяется частотным диапазоном, в котором будет работать содержащее элемент анализируемое устройство. При этих условиях такие радиотехнические преобразования сигналов, как некоторые виды усиления, модуляцию, детектирование, преобразование частоты, генерацию, чаще всего считают безынерционными нелинейными.
|
|
Неприменимость принципа суперпозиции существенно усложняет анализ воздействия сигнала на нелинейную цепь, так как выходной сигнал не может быть представлен в виде суммы реакций на элементарные входные сигналы, как это делается при анализе воздействия сигнала на линейную цепь. В связи с этим, неправомерно вычисление спектра выходного сигнала по формуле или вычисление временного отклика с помощью интеграла Дюамеля.
Аппроксимация нелинейных характеристик. Теоретический анализ позволяет определить лишь общий вид ВАХ нелинейного элемента, и практическая ценность таких характеристик для исследования поведения реальных нелинейных элементов в радиотехнических схемах невелика; практически полезные ВАХ, как правило, получают экспериментально. Однако эксперимент дает, по существу, табличное представление характеристики, в то время как для анализа и расчетов необходимо аналитическое, в виде формулы, представление ВАХ. Используются различные способы аппроксимации — замены таблично (а иногда и аналитически) заданной характеристики функциями, приближенно отражающими поведение реальной ВАХ нелинейного двухполюсника в представляющем интерес диапазоне изменения аргумента. При выборе вида аппроксимирующих функций учитывают требуемую точность результата, пределы изменения входного воздействия и удобство выбранной функции для аналитических расчетов. Наиболее распространенными видами аппроксимации являются полиномиальная, кусочно-линейная и показательная. После решения задачи аппроксимации отклик нелинейной системы на заданное воздействие описывается нелинейным дифференциальным уравнением, которое решается аналитически или численно. В настоящей работе рассматривается и используется кусочно-линейная аппроксимация.
|
|
Кусочно-линейная аппроксимация. В некоторых случаях (например, если u изменяется в достаточно больших пределах) ВАХ нелинейного элемента аппроксимируют двумя или более отрезками прямых.
|
|
Рис. 9.2
Пример чаще всего встречающегося варианта кусочно-линейной аппроксимации ВАХ показан на рис. 9.2. Аппроксимирующее выражение записывается следующим образом:
(9.2)
Здесь константа S — крутизна линейной части аппроксимирующей функции, UН — координата «начала» линейно возрастающей ветви ВАХ (напряжение отсечки).
Воздействие гармонического колебания на безынерционный нелинейный элемент. Рассмотрим воздействие на нелинейный элемент гармонического колебания в сумме со «смещением», задающим рабочую точку:
u(t) = U0 + Um cos(w1t + j1). (9.3)
Обратимся к рис. 9.2, иллюстрирующему типичное взаимное расположение ВАХ и сигнала (9.3), начальную фазу которого примем равной нулю (j1 = 0). Ток в цепи появляется только при u ³ Uн и является периодической последовательностью импульсов:
(9.4)
Введенный в выражение (9.4) параметр q называется углом отсечки. Физический смысл угла отсечки иллюстрирует рис. 9.2 — очевидно, что по координате w1t (линейная текущая фаза) косинусоидальный импульс тока имеет длительность 2q. При w1t = 2kp ± q ток в цепи равен нулю; из уравнения
следуют часто используемые соотношения:
, (9.5)
i(t) = SUm(cos w1t – cos q). (9.6)
Максимального значения Im импульс тока достигает при w1t = 2kp, поэтому
Im = SUm(1 – cos q), . (9.7)
Используя полученные соотношения, найдем коэффициенты разложения периодической (с периодом T = 2p/w1) функции (9.6) в ряд Фурье в представлении
.
Так как функция четная, коэффициенты bk º 0. Коэффициенты ak вычисляются по формуле
.
Используя четность подынтегрального выражения, формулу (9.7) и соотношение w1T = 2p, перепишем последний интеграл:
.
Коэффициенты ak для k > 0 являются амплитудами гармонических составляющих тока i(t); постоянная составляющая I0 = a0/2. Интегрирование дает формулу для амплитуды k-й гармоники:
.
Приведем явные выражения для амплитуд некоторых гармоник:
Часто используются нормированные к Im значения Ik, или коэффициенты Берга
, Ik = ak(q)Im,
Рис. 9.3 Рис. 9.4
а также функции Берга
, Ik = gk(q)SUm.
Для ряда значений k коэффициенты и функции Берга табулированы. Графики и для k = 0, 1, 2, 3 приведены на рис. 9.3 и 9.4. Вид графиков указывает на возможность оптимизации процедуры нелинейного преобразования, так как при заданной ВАХ (фиксированном Uн) угол отсечки q в соответствии с формулой (9.5) регулируется выбором амплитуды Um и смещения U0.
Коэффициенты и функции Берга связаны друг с другом соотношением
gk(q) = (1 – cos q)ak(q).
Таким образом, ток в цепи нелинейного двухполюсника при гармоническом воздействии представляется суммой постоянной I0 и гармонических с амплитудами I1, I2, I3, … и частотами w1, 2w1, 3w1, …, кратными частоте приложенного напряжения, составляющих, т. е. рядом Фурье.
Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 553; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!