Nazarchuk/3.6.1Спектр/Спектр.tex
2022-10-06 18:58:08 +03:00

242 lines
17 KiB
TeX
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

\documentclass[a4paper,12pt]{article} % тип документа
% report, book
% Рисунки
\usepackage{graphicx}
\usepackage{wrapfig}
\usepackage{mathtext}
\usepackage[left=2cm,right=2cm,
top=2cm,bottom=2cm,bindingoffset=0cm]{geometry}
\usepackage{hyperref}
\usepackage[rgb]{xcolor}
\hypersetup{ % Гиперссылки
colorlinks=true, % false: ссылки в рамках
urlcolor=blue % на URL
}
% Русский язык
\usepackage[T2A]{fontenc} % кодировка
\usepackage[utf8]{inputenc} % кодировка исходного текста
\usepackage[english,russian]{babel} % локализация и переносы
\addto\captionsrussian{\def\refname{Список используемой литературы}}
% Математика
\usepackage{amsmath,amsfonts,amssymb,amsthm,mathtools}
\usepackage{titlesec}
\titlelabel{\thetitle.\quad}
\usepackage{wasysym}
\begin{document}\begin{titlepage}
\thispagestyle{empty}
\centerline{МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ}
\centerline{(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)}
\vfill
\centerline{\huge{Лабораторная работа 3.6.1}}
\centerline{\LARGE{<<Спектральный анализ электрических сигналов>>}}
\vfill
Студент группы Б02-109 \hfill Назарчук Анна
\vfill
\centerline{Долгопрудный, 2022}
\clearpage
\end{titlepage}
\section{Аннотация}
В работе исследованы спектры периодических сигналов: модулированный по амплитуде, прямоугольные импульсы и цуги. Проверены теоретические зависимости параметров спектра и соотношения неопределенности на практике .
\section{Введение}
Многие практические задачи описания поведения некоторой системы во времени зачастую сводятся к выяснению связи между сигналом, подаваемым на <<вход>>
системы (обозначим его как $f(t)$), и её реакцией на <<выходе>> $g(t)$). Суть спектрального метода состоит в представлении произвольного воздействия в виде суперпозиции откликов на некоторые элементарные слагаемые. Данный метод используется для анализа многих сигналов, поэтому необходимо экспериментально ознакомиться с ним, сгенерировать и получить на осциллографе спектры различных периодических сигналов, проверить экспериментально параметры спектра и некоторые теоретические соотношения между ними.
\section{Методика измерений}
Основным соотношением для спектра является соотношение неопределенностей, верное для любого сигнала \cite{labnik}:
\begin{equation}
\Delta \omega \cdot \Delta t \sim 2\pi
\end{equation}
\begin{figure}[h!]
\begin{center}
\includegraphics[width=\textwidth]{пример}
\caption{Примеры сигналов а) периодической последовательности прямоугольных импульсов, б) периодической последовательности цуг, в) модулированного по амплитуде сигнала из \cite{labnik}} \label{пример}
\end{center}
\end{figure}
Рассмотреть все сигналы невозможно, поэтому работа проводилась на трех относительно простых сигналах. Для каждого из них сгенерирован сигнал определенной формы, обработан с помощью цифрового осциллографа, проверены соотношения неопределенности с помощью курсорных измерений.
1. Первая часть работы заключалась в исследовании спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов (пример показан на рисунке \ref{пример}).
Теоретически рассчитано значение коэффициентов $c_n$ \cite{labnik}, которое проверено экспериментально:
\begin{equation}
c_n = \dfrac{sin(\pi n \tau / T))}{\pi n}
\end{equation}
2. Вторая часть работы состояла в исследовании спектра периодической последовательности цугов гармонических колебаний (пример показан на рисунке \ref{пример}).
Теоретически известен спектр сигнала \cite{labnik}:
\begin{equation}
F(\omega) = \dfrac{\tau}{2T}\left[\dfrac{\sin(\omega-\omega_0)\tau /2}
{(\omega-\omega_0)\tau /2}
+ \dfrac{\sin(\omega+\omega_0)\tau /2}{(\omega+\omega_0)\tau /2}\right]
\end{equation}
3. Последняя часть заключалась в исследовании спектра гармонических сигналов, модулированных по амплитуде (пример показан на рисунке \ref{пример}).
Теоретический вид сигнала \cite{labnik}:
\begin{equation}
f(t) = a_0 \cos (\omega_0 t) +\dfrac{ma_0}{2}\cos (\omega_0 +\Omega)t+\dfrac{ma_0}{2}\cos (\omega_0 -\Omega)t
\end{equation}
где $m$ - глубина модуляции.
Модулированное колебание представляется в виде:
\begin{equation}
f(t)=f_0(t)+f_1(t)+f_2(t),\hspace{3mm} f_0(t)=a_0 \cos (\omega_0 t),\hspace{3mm} f_1(t)=\dfrac{ma_0}{2}\cos (\omega_0 +\Omega)t,\hspace{3mm} f_2(t)=\dfrac{ma_0}{2}\cos (\omega_0 -\Omega)t
\end{equation}
$f_0$ - основная гармоника, $f_1, f_2$ - боковые гармоники
Для модулированного по амплитуде сигнала существует теоретическое соотношение между амплитудами гармоник, которое можно проверить экспериментально:
\begin{equation}
\dfrac{a_{бок}}{а_{осн}}=\frac{1}{2}
\end{equation}
\section{Результаты и их обсуждение}
\subsection*{Исследования спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов}
Для исследования периодической последовательности прямоугольных импульсов на генераторе создан сигнал с разными параметрами, по которому на экране осциллографа получен спектр (рис. \ref{прямоуг})
\begin{figure}[h!]
\begin{minipage}[h!]{0.47\linewidth}
\center{\includegraphics[width=1\linewidth]{1_1}} a) $\nu_{повт} = 1000 Гц, \tau = 50 мкс$\\
\end{minipage}
\hfill
\begin{minipage}[h!]{0.47\linewidth}
\center{\includegraphics[width=1\linewidth]{1_2}} \\b) $\nu_{повт} = 1400 Гц, \tau = 50 мкс$
\end{minipage}
\end{figure}
\begin{figure}[h!]
\begin{minipage}[h!]{0.47\linewidth}
\center{\includegraphics[width=1\linewidth]{1_3}} c) $\nu_{повт} = 700 Гц, \tau = 50 мкс$ \\
\end{minipage}
\hfill
\begin{minipage}[h!]{0.47\linewidth}
\center{\includegraphics[width=1\linewidth]{1_4}} d) $\nu_{повт} = 1000 Гц, \tau = 70 мкс$ \\
\end{minipage}
\caption{Спектры последовательностей прямоугольных импульсов при разных частотах повторения и длительности импульса}
\label{прямоуг}
\end{figure}
\newpage
При $\nu_{повт} = 700 Гц$ проведены измерения ширины спектра. Результаты
представлены на рисунке \ref{dnu(tau)_img}.
\begin{figure}[h!]
\begin{center}
\includegraphics[width=\textwidth]{dnu(tau)}
\caption{Зависимость ширины спектра от длительности спектра для последовательности прямоугольных импульсов при частоте повторения $\nu_{повт} = 700 Гц$} \label{dnu(tau)_img}
\end{center}
\end{figure}
\begin{figure}[h!]
\begin{center}
\includegraphics[width=\textwidth]{a(n)}
\caption{Теоретический спектр прямоугольных импульсов при частоте повторения $\nu_{повт} = 1000 Гц$ и длительности импульса $\tau = 50 мкс$ из \cite{labnik}} \label{теор}
\end{center}
\end{figure}
Рассчитан коэффициент наклона прямой:
\begin{equation}
k = 0.9997 \pm 0.0039
\end{equation}
Полученное значение близко к $1$, что подтверждает соотношение неопределенностей.
Для сравнения экспериментальных и теоретических значений спектра для одного из сигналов (a) с рис. \ref{прямоуг}) рассчитана теоретическую зависимость и изображена на графике \ref{теор}. Теоретический и экспериментальный спектр похожи, что показывает справедливость теоретического расчета в данном случае.
\newpage
\newpage
\newpage
\subsection*{Исследование спектра периодической последовательности цугов гармонических колебаний}
\begin{figure}[h!]
\begin{minipage}[h!]{0.47\linewidth}
\center{\includegraphics[width=1\linewidth]{2_1}} a) $\nu = 50 кГц, T = 1 мс, N = 5$\\
\end{minipage}
\hfill
\begin{minipage}[h!]{0.47\linewidth}
\center{\includegraphics[width=1\linewidth]{2_2}} \\b) $\nu = 50 кГц, T = 1 мс, N = 3$
\end{minipage}
\vfill
\begin{minipage}[h!]{0.47\linewidth}
\center{\includegraphics[width=1\linewidth]{2_3}} c) $\nu = 50 кГц, T = 3 мс, N = 5$ \\
\end{minipage}
\hfill
\begin{minipage}[h!]{0.47\linewidth}
\center{\includegraphics[width=1\linewidth]{2_4}} d) $\nu = 30 кГц, T = 1 мс, N = 5$ \\
\end{minipage}
\vfill
\begin{minipage}[h!]{0.47\linewidth}
\center{\includegraphics[width=1\linewidth]{2_5}} \\e) $\nu = 70 кГц, T = 1 мс, N = 5$
\end{minipage}
\caption{Вид спектра для периодической последовательности цугов при разных частотах несущей $\nu$ = 50 кГц, периодах повторения $T$ = 1 мс, числах
периодов в одном импульсе $N$ = 5}
\label{спектр_цуги}
\end{figure}
Для исследования спектра периодической последовательности цугов гармонических колебаний на генераторе создан сигнал последовательности синусоидальных цугов с разными параметрами, по которому на экране осциллографа получен спектр. (рис. \ref{спектр_цуги})
Для проверки соотношения неопределенностей для данного сигнала при фиксированной длительности импульсов $\tau$ = 50 мкс измерены расстояния между соседними спектральными компонентами от периода повторения импульсов (рис. \ref{dnu(T)_img})
\begin{figure}[h!]
\begin{center}
\includegraphics[width=0.9\textwidth]{T(dnu)}
\caption{Зависимость расстояния между соседними спектральными компонентами от периода повторения импульсов для периодической последовательности цугов при часоте несущей $\nu$ = 50 кГц и числе
периодов в одном импульсе $N$ = 5} \label{dnu(T)_img}
\end{center}
\end{figure}
Теоретически известно (\cite{labnik}), что точки должны хорошо ложиться на прямую, однако из графика видно, что это не так. Проблема заключается в снятии данных (был выбран неверный канал при курсорных измерениях). Поэтому подтвердить справедливость соотношения неопределенности по данным экспериментальным значениям невозможно.
\subsection*{Исследование спектра гармонических сигналов, модулированных по амплитуде}
Для исследования спектра гармонических сигналов, модулированных по амплитуде на генераторе создан сигнал, модулированный по амплитуде, по которому на экране осциллографа получается спектр (\ref{мод}).
\begin{figure}[h!]
\begin{center}
\includegraphics[width=0.75\textwidth]{3}
\caption{Спектр сигнала, модулированного по амплитуде, при частоте несущей $\nu_0$ = 50 кГц, частоте модуляции $\nu_{мод}$ = 2 кГц} \label{мод}
\end{center}
\end{figure}
Измерена с помощью осциллографа глубина модуляции $m$:
\begin{equation}
m = \dfrac{A_{max}-A_{min}}{A_{max}+A_{min}} = \dfrac{1.54 - 0.54}{1.54 + 0.54} = 0.5, что \hspace*{1mm} сходится \hspace*{1mm}с\hspace*{1mm} установленным \hspace*{1mm}на\hspace*{1mm} генераторе
\end{equation}
Для проверки теоретической зависимости, изменяя глубину модуляции, измерена $\dfrac{a_{бок}}{а_{осн}}$ - отношение амплитуд боковой и центральной полос спектра (рис. \ref{mod_img}).
\begin{figure}[h!]
\begin{center}
\includegraphics[width=0.75\textwidth]{a(m)}
\caption{Зависимость $\dfrac{a_{бок}}{а_{осн}}$ от $m$ для сигнала, модулированного по амплитуде, при частоте несущей $\nu_0$ = 50 кГц, частоте модуляции $\nu_{мод}$ = 2 кГц} \label{mod_img}
\end{center}
\end{figure}
Определен коэффициент наклона прямой:
\begin{equation}
k = 0.502 \pm 0.002
\end{equation}
Результат сходится с предсказанным теоретически (0.5).
\section{Выводы}
\hspace{4mm} 1. При исследовании последовательности прямоугольных импульсов получена зависимость ширины спектра от длительности импульса, что подтверждает соотношение неопределенностей для данного вида сигнала: $\tau \cdot \Delta\nu \sim 1$.
2. Проверены теоретические расчеты спектра при прямоугольных импульсах (теоретическая и экспериментальная картины схожи).
3. При обработке данных от спектра периодической последовательности цугов была обнаружена ошибка при снятии данных, что не позволило проверить соотношение неопределенностей.
4. Получен угол наклона графика зависимости $\dfrac{a_{бок}}{а_{осн}}$ от $m$ ($k$=0.5), подтверждено теоретическое значение этого угла ($k$=0.5).
\begin{thebibliography}{}
\bibitem{labnik} Никулин М.Г., Попов П.В., Нозик А.А. и др. Лабораторный практикум по общей физике : учеб. пособие. В трех томах. Т. 2. Электричество и магнетизм
\end{thebibliography}
\end{document}