Электрические цепи и сигналы: базовые сведения, методы анализа процессов в цепях

Description

Тематика учебника — фундаментальные основы профессиональных компетенций, необходимых для углубленного изучения высокотехнологичных электротехнических, электронных, связных устройств и продуктивной профессиональной деятельности в тех областях науки и техники, где они применяются. Здесь изложены, объяснены, подробно рассмотрены основные понятия и законы теории электрических цепей, способы описания сигналов, методы анализа процессов в цепях. Последовательно выдержана тенденция на компактное изложение именно базовых сведений. В конце каждой главы учебника собраны контрольные вопросы, задачи. Имеются курсовые расчетные задания с приложением индивидуальных вариантов. Анализ процессов в цепях, преобразования сигналов базируется подчас на сложных и разнообразных математических процедурах, весьма непростых для студентов младших курсов. Хотя математике в учебнике отведена значительная роль, однако её функция здесь, по большей части, иллюстративная. Основное внимание сосредоточено на физической сути процессов, явлений, на их прак-тическом значении. Эффективному освоению материала учебника способствуют примеры компьютерного моделирования процессов. Инструмент моделирования — известная, широко распространенная программа NI Multisim. Ей посвящен специальный раздел учебника. Демоверсия программы доступна на сайте компании National Instruments. Содержание пособия, методический уровень подачи материала соответствуют требованиям федеральных государственных стандартов высшего образования тех направлений подготовки, для которых знание основ электротехники, электроники, схемотехники является базой последующего изучения высокотехнологичной элек-тронной аппаратуры, вычислительных устройств, автоматизированных систем управления, исследовательских комплексов, насыщенных электронными устрой-ствами. Целевая аудитория — студенты, обучающиеся по направлениям подготовки «Прикладные математика и физика», «Физика», «Радиофизика», «Тех-ническая физика», «Электроника и наноэлектроника», «Радиотехника», «Инфо-коммуникационные технологии и системы связи» и др. Предисловие 1. Основы описания и анализа систем с электрическими токами Основные понятия и законы теории цепей Ток и напряжение, электрическая цепь, схема цепи Ток и напряжение – объекты анализа процессов в цепях Опорные, или условные положительные, направления Мгновенная мощность Активные и пассивные элементы цепей Идеальные пассивные элементы Реальные пассивные элементы цепей, схемы замещения Индуктивно связанные катушки, трансформатор Источники тока и напряжения Структура цепи, уравнения процессов в цепях Основные понятия структуры электрической цепи Задачи анализа и задачи синтеза Законы Кирхгофа – структурные законы теории цепей Уравнения процессов в цепях, принцип суперпозиции Стационарные состояния и переходные процессы Нелинейные элементы и цепи Методы анализа цепей с постоянными токами Метод контурных токов Метод узловых потенциалов Метод эквивалентного источника Контрольные вопросы и задачи Задание «Анализ цепей с постоянными токами» Пример анализа цепи с постоянными токами 2. Гармонические колебания в линейных электрических цепях Свойства гармонических токов и напряжений Описание гармонических колебаний О получении гармонических напряжений Векторные диаграммы гармонических колебаний Метод комплексных амплитуд Комплексные числа (справочные сведения)Существуют разные формы комплексного числа [20, 30] – алгебраи Гармонические токи и напряжения в комплексной форме Закон Ома для комплексных амплитуд Законы Кирхгофа для комплексных амплитуд Общая схема применения метода комплексных амплитуд Преобразования комплексных сопротивлений (импедансов) Формы комплексных сопротивлений (проводимостей) О методах анализа цепей с гармоническими токами Энергетика в цепях гармонического тока Мгновенная и активная мощности, коэффициент мощности Реактивная, полная и комплексная мощности Уравнения баланса мощностей О коэффициенте мощности и добротности Режим согласования О вычислении коэффициента полезного действия Основные сведения о трѐхфазных цепях Устройство трѐхфазного генератора Соединение трѐхфазного генератора с потребителем Симметричные режимы работы трѐхфазных цепей Мощность в трѐхфазных системах электрических цепей Создание равномерно вращающегося магнитного поля Задачи и расчѐтные задания 3. Свойства линейных цепей Способы описания линейных цепей Анализ свойств цепей в частотной области Комплексный коэффициент передачи Амплитудно-частотная, фазочастотная характеристики Виды и параметры фильтрующих цепей Примеры характеристик простых ФНЧ и ФВЧ Измерение частотных характеристик Об искажении сигнала измерителем Полосовая фильтрация, фазовая коррекция Частотные свойства полосового RC-фильтра Заграждающий RC-фильтр – мост Вина Двойной T-образный мост Фазосдвигающие цепи, фазовый корректор Временны е характеристики цепей Переходная характеристика цепи Импульсная характеристика цепи Связь переходной и импульсной характеристик Измерение временны х характеристик цепей Временной анализ процессов в линейных цепях Процедура временного анализа Свойства RC-цепи в координатах времени Переходные характеристики RL-цепи Аналоговое интегрирование сигналов Аналоговое дифференцирование сигналов Интегрирование, дифференцирование линейной функции Переходные характеристики полосового и заграждающего фильтров Задачи и расчѐтные задания 4. Операторный метод анализа линейных цепей Преобразование Лапласа и его свойства Формула Лапласа, оригинал, изображение Свойства преобразования Лапласа Восстановление оригинала, формула разложения Анализ процессов в операторных схемах Операторные компонентные соотношения, схемы замещения Законы Кирхгофа в операторной форме Примеры применения операторного метода Передаточная функция Связь передаточной функции с характеристиками цепи Свойства передаточных функций Влияние на свойства цепей расположения нулей и полюсов K(p) Контрольные вопросы и задачи «Анализ свойств линейных цепей» 5. Колебательные цепи, резонансные явления Вынужденные колебания в последовательномколебательном контуре Резонанс в последовательном колебательном контуре Частотные характеристики колебательного контура Последовательный контур как полосовой фильтр Свойства колебательного контура в координатах времени Переходные характеристики колебательного контура О свободных колебаниях в последовательном контуре Параллельный колебательный контур Резонанс в параллельном колебательном контуре Полосовая фильтрация на основе параллельного контура Колебательные цепи разветвленной структуры Сложные колебательные контуры Система связанных колебательных контуров Задачи и расчётные задания 6. Частотные спектры электрических колебаний, спектральный анализ Преамбула Описание колебаний в координатах частоты Диапазоны частот электромагнитных колебаний Виды спектров Спектры периодических колебаний Представление периодических колебаний рядами Фурье Примеры частотных спектров периодических колебаний Распределение энергии по гармоникам, равенство Парсеваля Измерение спектров колебаний Цифровой метод исследования спектров Аппаратурное измерение амплитудных спектрограмм Сигналы с непрерывными спектрами Непериодические сигналы и интегралы Фурье Спектры одиночных импульсов Свойства преобразования Фурье Спектры радиоимпульса с прямоугольной огибающей Спектр затухающей синусоиды Применение дельта-функции для описания спектров Спектральный метод анализа линейных цепей Общая схема применения спектрального анализа Преобразование периодических колебаний линейной цепью Передаточная функция и временны е характеристики Частотные характеристики неискажающей цепи Влияние параметров сигнала и цепи на форму отклика Модулированные колебания Понятие радиосигнала Амплитудно-модулированный сигнал Сигналы с угловой модуляцией, спектры ЧМ-колебания Спектры хаотических, шумовых колебаний Описание и измерение хаотических колебаний, шумов Преобразование шумового колебания линейной цепью Об аналого-цифровом преобразовании и теореме отсчѐтов Теорема отсчѐтов / Котельникова / Об алиасинге – переносе высокочастотных помех на низкие частоты Компьютерное моделирование алиасинга Контрольные вопросы и расчѐтные задания 7. Волновые процессы в длинных линиях Основы теории длинных линий Описание длинных линий Дифференциальные уравнения длинной линии Волны в длинной линии в режиме гармонических колебаний Подключение нагрузок к линиям без потерь Уравнения передачи для фрагмента длинной линии Входное сопротивление отрезка длинной линии Коэффициент отражения Распределение амплитуд напряжения и тока вдоль линии Коэффициенты стоячей волны и бегущей волны Режимы стоячих волн Импедансы в сечениях длинной линии Измерение и вычисление импедансов вдоль линии Круговые диаграммы сопротивлений и проводимостей Согласование длинных линий с нагрузками Частотные искажения в рассогласованной линии Согласование четвертьволновым трансформатором Шлейф, согласование шлейфом и трансформатором Одношлейфное согласование Процессы в линиях с малыми потерями Гармонические колебания в длинной линии с потерями Передача энергии, КПД отрезка длинной линии Колебательные контуры на отрезках длинных линий Контрольные вопросы и практические задания 8. Компьютерное моделирование электрических цепей Системы компьютерного моделирования Среда моделирования Multisim Выбор компонентов, настройка значений Виртуальная измерительная лаборатория Имитация измерительной аппаратуры Моделирование осциллографических измерений Моделирование измерения частотных характеристик Контрольные вопросы и практические задания Литература Алфавитный указатель