Реферат: Аппроксимация характеристик нелинейных элементов и анализ цепей при гармонических воздействиях
Аналитический метод анализа
Если работа НЭ (нелинейной цепи) происходит в режиме малого сигнала и, как правило, без отсечки выходного тока, для аппроксимации используется степенной полином вида:
. (13)
Пусть на входе действует напряжение При подстановке его в (13) получим:
(14)
Воспользовавшись известными формулами
(15)
представим равенство (14) так:
|
Отсюда вытекают следующие соотношения для расчета постоянной составляющей тока и амплитуд гармоник:
(17)
3. Анализ цепей методом угла отсечки
При работе нелинейной цепи с большими амплитудами входного сигнала, когда степенная аппроксимация не дает хороших результатов применяется кусочно-линейная аппроксимация. Работа НЭ происходит при этом с отсечкой выходного тока, и большое применение находит аналитический метод анализа, получивший название метода угла отсечки.
Форма тока в цепи, содержащей НЭ с характеристикой
(18)
видна из графика, представленного на рисунке 7 (при условии, что на вход подано напряжение ).
Рис. 7. График тока через НЭ при работе с отсечкой тока
График тока имеет характерный вид периодической последовательности косинусоидальных импульсов, которые характеризуются амплитудой и длительностью 2, где – угол отсечки, числено равный половине той части периода, в течение которого через НЭ протекает ток. Период повторения импульсов равен . Спектральный состав такого периодического колебания легко определить, разложив функцию тока в ряд Фурье:
(19)
Угол отсечки легко найти из равенства :
(20)
Функция тока определяется следующим выражением:
. (21)
При :
. (22)
Амплитуды спектральных составляющих тока через НЭ определяются через коэффициенты Берга:
(23)
где коэффициенты являются функциями одного аргумента – угла отсечки , получили название коэффициентов (функций) Берга.
Рис. 8. Графики функций Берга
Анализ графиков функций позволяет сделать вывод о том, при каких углах отсечки амплитуды (n = 0, 1, 2, ...) имеют максимальные или минимальные (нулевые) значения. Это дает возможность с помощью выбора режима работы НЭ (изменяя напряжение смещения , можно менять ) управлять соотношением амплитуд гармоник в спектре тока через НЭ.
Таким образом, алгоритм вычисления амплитуд гармоник тока через НЭ может быть следующим:
1. По известным значениям , , определяется угол отсечки с помощью формулы (18).
2. По формуле (20) или графически определяется величина .
3. С помощью таблицы или по графикам (рис. 8) находят .
4. Вычисляются амплитуды гармоник: k = 1, 2, ….
4. Воздействие двух гармонических сигналов на безынерционный НЭ
Для выявления основных закономерностей рассмотрим реакцию НЭ на воздействие двух гармонических сигналов. Такое воздействие принято называть бигармоническим:
(24)
Для упрощения анализа на первом этапе воспользуемся аппроксимацией ВАХ нелинейного элемента полиномом второй степени:
(25)
После подстановки (22) в (23) получим
Выполнив тригонометрические преобразования по формулам
и сгруппировав члены, получим следующее спектральное представление тока
(26)
Анализ выражения (24) позволяет сделать вывод о значительном обогащении спектра тока по сравнению со спектром входного сигнала. В спектре выходного колебания, кроме слагаемых, имевшихся во входном сигнале – постоянной составляющей и гармоник на частотах ω1 и ω2, возникли гармонические составляющие суммарной и разностной частоты (ω1 + ω2) и (ω1 – ω2), а также компоненты с удвоенными частотами 2ω1, 2ω2.
При увеличении порядка аппроксимирующего полинома проблема вычисления амплитуд спектральных составляющих сводится к громоздким выкладкам, приводить которые в данной лекции нецелесообразно. В самом общем случае, когда ВАХ представлена полиномом n-й степени, спектр тока через НЭ (в случае бигармонического воздействия) будет включать составляющие с частотами
(27)
где p и q целые числа, причем (p + q) ≤ n.
Сумма (p + q) называется порядком комбинационного колебания. Комбинационное колебание в общем случае можно записать
(28)
где k коэффициент пропорциональности.
При построении различных радиотехнических устройств, являющихся элементами приемных и передающих трактов (модуляторы, детекторы, преобразователи частоты, дифференциальные усилители), приходится использовать нелинейные цепи с бигармоническим воздействием. При этом с помощью фильтрации выделяются нужные комбинационные составляющие (т. е. создающие полезный эффект в нагрузке в зависимости от реализуемой операции) и соответственно подавляются побочные продукты взаимодействия двух сигналов и . Теперь рассмотрим, как влияют амплитуды воздействующих сигналов и на соотношение амплитуд гармоник в спектре выходного тока.
Параметрический режим работы нелинейного элемента
При реализации некоторых устройств аппаратуры связи, работа которых основана на использовании нелинейных электрических цепей (элементов) и бигармоническом воздействии, часто возникает практическая ситуация, когда амплитуда одного из напряжений значительно больше другого. Например, в преобразователе частоты супергетеродинного радиоприемного устройства амплитуда преобразуемого сигнала значительно меньше амплитуды напряжения местного источника гармонического напряжения (гетеродином). В этих условиях НЭ для сигнала с малой амплитудой выступает в качестве параметрического элемента. Графическая иллюстрация такого режима представлена на рисунке 9.
Рис. 9. Графическая иллюстрация параметрического режима работы
К нелинейному элементу с вольт-амперной характеристикой приложены два напряжения: гармонический сигнал с большой амплитудой и малое напряжение , в общем случае не обязательно гармоническое.
Учитывая малую величину напряжения по сравнению c , можно считать участок характеристики, на которой в данный момент времени действует напряжение , практически линейным (фрагмент ВАХ на рисунке 9). При этом напряжение действует как изменяющееся во времени напряжение смещения, т. е. источник перемещает рабочую точку на характеристике по закону . Таким образом, можно считать, что для малого колебания нелинейный элемент является линейным, но с изменяющейся по закону крутизной . Такой элемент и называется параметрическим, причем в роли переменного параметра выступает крутизна вольт-амперной характеристики.
Выше уже говорилось о том, что очень важно обеспечить минимизацию побочных продуктов взаимодействия напряжений и , а также подчеркнуть, по возможности, полезную комбинационную составляющую. Рассмотрим условия, при которых может быть решена эта задача, для чего получим аналитическое выражение для тока через НЭ в общем виде.
Если на вход НЭ с характеристикой воздействуют два колебания: , причем выполняется неравенство
(29)
а амплитуда напряжения такова, что оно не выходит за пределы рабочей области ВАХ – < 1 В, то выражение для тока через НЭ можно представить в виде ряда Тейлора по степеням малого напряжения вблизи изменяющейся во времени (по закону ) рабочей точки.
. (30)
В этом выражении первое слагаемое – ток, величина которого определяется только источником , а все остальные слагаемые – добавка к току зa счет действия источника малого сигнала . Очевидно, что первая производная тока крутизна характеристики функция напряжения (закон ее изменения во времени показан на правой части графика на рисунке 9). С учетом введения выражение (28) можно переписать в виде
. (31)
В общем случае, когда – чётная периодическая функция, ток и все коэффициенты ряда (29) , , , ... будут четными периодическими функциями, следовательно, их можно представить рядами Фурье, содержащими только косинусные слагаемые:
(32)
Если подставить все выражения (30) в (29) и выполнять элементарные (но очень громоздкие) преобразования, можно убедиться, что в спектре тока через НЭ будет присутствовать множество комбинационных составляющих, число которых не меньше, чем в (25). При этом амплитуды тока нелинейно будут зависеть от и . Таким образом, неизбежно возникают нелинейные искажения в выходном сигнале. В то же время эти искажения существенно меньше, чем при соизмеримых амплитудах воздействующих сигналов. Чтобы в этом убедиться, достаточно принять во внимание, что << l B, следовательно, все слагаемые в (29), начиная с третьего, являются малостями более высоких порядков и ими можно пренебречь без большой (с точки зрения инженерной практики) погрешности. Таким образом, учитывая справедливость неравенства
(33)
можно записать:
(34)
Из последнего выражения видно, что для колебания с малой амплитудой нелинейный элемент является линейным (т. к. выражение (32) – линейная функция ), но с переменным параметром – крутизной, которая изменяется во времени под воздействием большого напряжения :
Очевидно, что чем меньше амплитуда напряжения , тем меньше погрешность от замены (29) на (32), меньше количество и ниже уровень побочных (нежелательных) комбинационных составляющих в спектре выходного тока.
Если работа нелинейной цепи в этом случае происходит без отсечки тока НЭ, то ток через НЭ вообще не содержит комбинационных составляющих, приводящих к искажению выходного колебания (выходным колебанием считается ток на частоте ω1 + ω2 или |ω1 - ω2|). В этом случае устройство на основе данной нелинейной цепи будет линейной параметрической системой.
Таким образом, для получения линейной параметрической цепи на основе НЭ необходимо выполнить ряд условий:
1. Обеспечить работу с малым уровнем входного сигнала.
2. Использовать фильтр на выходе цепи, выделяющий полезное колебание и эффективно подавляющий нежелательные продукты взаимодействия u1 и u2.
3. Обеспечить соответствующий режим работы НЭ, при котором уменьшается уровень ненужных комбинационных составляющих.
4. Подбирать НЭ с ВАХ, наиболее близкой по форме к квадратичной параболе.
Библиографический список
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы.– М.: Высш. шк., 1986.– С. 222-229.
2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.– М.: Наука, 1986.– С. 502-504.