5.4. Разработка источника сигнала, амплитуда которого модулирована по гармоническому закону

Имеющиеся в системе сквозного схе-

мотехнического проектирования OrCADисточники сигналов представлены весьма незначительной библиотекой. В связи с этим весьма полезным представляется освоение принципов построения моделей сигналов, используемых в радиоэлектронных устройствах [1]. Возможность применения источника разнообразных сигналов обусловлена наличием компонентаVPWL_FILE(кусочно-линейный источник напряжения, заданный в файле), расположенного в библиотекеsource.slb.

Основными представлениями при моделировании сигналов являются временное (зависимость амплитуды сигнала от времени) и спектральное (зависимость амплитуды или фазы гармонических составляющих сигнала от частоты). Следовательно, требуется разработать модель, которая позволяла бы получить временное представление в виде массива значений (отсчетов), а спектральные характеристики (комплексный спектр сигнала) можно получить с использованием быстрого преобразования Фурье как в программной среде, так и с помощью средств расчета спектров при моделировании.

Наиболее подходящей и доступной для данных целей является программная среда MathCAD. Расчет значений и построение графиков осуществляется в интерактивном режиме, что обеспечивает высокую наглядность результатов.

В качестве первичного сигнала будем использовать гармоническое колебание. На первом этапе формируется массив отсчетов времени t_j. Для этого в окне программыMathCADопределяются следующие идентификаторы программы

j:= 0…10000t_j:=j·10^-6.

Сначала формируется массив значений переменной j– управляющей переменной, которая используется для индексации массивов, необходимых в модели; затем формируется массив значений времениt_j. Если график временного представления сигнала будет ломанным (отсчетов сигнала недостаточно), то число отсчетов необходимо увеличить, одновременно изменив показатель степени при задании массива времени. При этом время моделирования значительно увеличивается, что следует учитывать при разработке моделей. Далее вводятся переменные, позволяющие задавать следующие пара-

метры сигнала:

-частота Fи начальная фазаφмодулирующего (первичного) колебания;

-амплитуда S_m, частотаf₀ и начальная фаза несущего колебанияψ;

-глубина модуляции m.

В окне программы MathCADвводятся следующие выражения:

F:=2·10³φ:=0S_m:=1

f₀:=3·10⁴ψ:=0m:=0.5.

Выражение модулированного по

амплитуде колебания в программной среде MathCADпринимает вид

s_j:=S_m·[1+m·sin(2·π·F·t_j+φ)] sin(2·π·f₀·t_j+ψ).

Идентификатором s_jобозначено временное представление сигнала.

Рис. 5.17. Временное представление

амплитудно-модулированного колебания

После этого в окне программы помещается график, на горизонтальной оси которого задаётся отображение переменной t_j, а на вертикальной оси – переменнойs_j. В результате выполнения указанных действий должен получиться график, показанный на рис. 5.17.

Таким образом, получен временной массив амплитудно-модулированного колебания. Имеется возможность управления амплитудой, частотой и начальной фазой несущего колебания, частотой и начальной фазой модулирующего колебания, а так же глубиной модуляции и наблюдать результаты изменений этих параметров во временном представлении сигнала.

Полученный результат необходимо записать в файл для его использования в качестве источника аналогового сигнала в программах моделирования. В информационной среде компонента VPWL_FILEсчитывает из файла данные, представленные в следующем формате:

(<отсчёт времени 1>,<отсчёт амплитуды 1>)

(<отсчёт времени 2>,<отсчёт амплитуды 2>)

…

(<отсчёт времени N>,<отсчёт амплитудыN>)

Чтобы получить файл, записанный подобным образом, добавляется следующий программный код

i:=0..1 sig_j,i:=if(i=0,t_j,s_j)

WRITEPRN(“sig.dat”):=sig

Здесь формируется массив из двух значений (0 и 1) для индексной переменной i, которая буде участвовать в формировании двумерного массиваsigпо правилу: еслиi = 0, то вj-элемент массива записывается отсчет времениt_j, еслиi= 1 – записывается отсчет сигналаs_j. Логическое выражениеi= 0 в определении массива записано с использованием оператора «Equalto» (Равенство) из панели инструментов «Boolean» (Логика). Для правильной записи результатов расчета в файл в программеMathCADследует установить следующие значения системных параметровPRNFileSettings:Precision(точность отображения) = 10,ColumnWidth(ширина столбца) = 20.

Затем формируется файл «sig.dat»; он будет размещаться в том же каталоге, что и файл с расчетами (*.mcd). Рассчитанный массив можно вывести в окно программыMathCAD, описав набрав командуsig.

Рассмотрим ввод и моделирование испытательной схемы для проверки источника.

В графическом редакторе Schematicsстроится схема, показанная на рис. 5.18.

Рис. 5.18. Испытательная схема с источником сигнала из файла

Рис. 5.19. Диалоговое окно Edit Attributes

Компонент VPWL_FILEвыбирается в библиотекеsource.slb. Установим значение его атрибутаFile=sig.dat. Для этого следует курсор мыши переместить в область графического изображения и выполнить двойной щелчок левой кнопкой. При этом объект выделяется и открывается диалоговое окноEditAttributes(рис. 5.19). В перечне атрибутов выбрать строчкуFileи в полеValue(значение) указать имя файла (sig.dat).

Собранную схему следует сохранить в одном каталоге с файлом sig.dat, причем совпадение имен файла схемы и файла «sig.dat» сигнала недопустимо. Далее задаются параметры директивы временного анализа и выполняется моделирование. В результате расчета получается точно такой сигнал, который был создан с помощью программыMathCAD(рис. 5.20). Спектр сигнала можно увидеть, воспользовавшись командойFourier(Анализ Фурье), вызываемой из менюTrace(график).

Для использования изложенного принципа построения модели источника АМ-сигнала при курсовом проектировании значения идентификаторов и переменных следует изменить. Получим сигнал с несущей частотой, равной промежуточной частоте большинства радиовещательных приемников – 465 кГц. Используя следующие параметры: амплитуда несущей 1 В, частота модулирующего сигнала 10 кГц, глубина модуляции 0,3, внесём изменения в запись программы MathCAD:

j:= 0…10000t_j:=j·10^-7

F:=10·10³φ:=0Sm:=1.0

f₀:=465·10³ψ:=0m:=0.3

s_j:=Sm·(1+m·sin(2·π·F·t_j+φ)) sin(2·π·f₀·t_j+ψ).

Так как период несущего колебания значительно сократился, для сохранения малого приращения переменной s_j значения идентификатора массива значений времениt_jпришлось уменьшить. Соответственно уменьшим диапазон отображенияt_jна графике для удобства наблюдения. В оставшейся части проекта, возможно, потребуется изменение лишь имени файла, в который сохраняются результаты расчета.

Рис. 5.20. Амплитудно-модулированное колебание и его спектр

Таблица 5.1

Значения параметров источника сигнала, амплитуда

которого модулирована по гармоническому закону

Наименование dat-файла	Амплитуда несущей частоты, В	Значение несущей частоты, кГц	Значение частоты модулиующего сигнала, кГц	Глубина модуляции
sig1 sig2 sig3 sig4 sig5 sig6 sig7 sig8 sig9	1 0.8 1.2 1 1 1 1 1.5 0.3	465 465 465 465 465 465 465 465 465	10 10 10 10 15 15 3 10 10	0.3 0.3 0.3 0.4 0.2 0.3 0.3 0.3 0.3

Рекомендуется, изучив методику проведения анализа устройства, составить список сигналов, используемых в работе. Например, для дальнейшего исследования детектора амплитудно-модулированных (АМ) колебаний потребуются сигналы, имеющие следующие параметры, представленные в табл. 5.1. Изменяя в программе MathCADсоответствующие параметры и имяdat-файла заготовить все необходимые файлы описаний сигналов и скопировать их в каталог проектаOrCADдля исследуемого устройства. В дальнейшем при осуществлении анализа, в случае необходимости изменения каких-либо параметров АМ-сигнала, достаточно изменить атрибутFileкомпонентаVPWL_FILEна имя файла, имеющего требуемые параметры.