Файл: Учебнометодическое пособие задание и указания по выполнению курсовой работы по дисциплине.pdf

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ
КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра теории электрических цепей
Учебно-методическое пособие задание и указания по выполнению курсовой работы по дисциплине
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ для студентов ЦЗОПБ направления подготовки 110302
ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Москва 2023

2
Учебно – методическое пособие задание и указания по выполнению курсовой работы по дисциплине
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ для студентов ЦЗОПБ направления подготовки 110302
ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Дисциплина «Теоретические основы электротехники» должна обеспечивать формирование общетехнического фундамента подготовки будущих специалистов в области инфокоммуникационных технологий и систем связи, а также, создавать необходимую базу для успешного овладения последующих дисциплин учебного плана. Она должна способствовать развитию творческих способностей студентов, умению формулировать и решать задачи изучаемой специальности, умению творчески применять и самостоятельно повышать свои знания.
Данное пособие направлено на приобретение студентами знания и навыков, необходимых как для грамотной эксплуатации инфокоммуникационной аппаратуры, так и для разработки устройств, связанных с передачей и обработкой сигналов.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов ЦЗОПБ
(направление 11.03.02) и может быть рекомендовано бакалаврам других технических направлений. Содержит краткий теоретический материал, задания и указания по выполнению курсовой работы.
Составители: В.Б. Крейнделин, д.т.н., профессор
М.Г. Бакулин, к.т.н., доцент
Е.Д. Григорьева, к.т.н., доцент
А.Г. Степанова, ст. преподаватель
Издание утверждено на заседании кафедры. Протокол № 2 от 17.10.2022 г.
Рецензент В.В. Фриск, к.т.н., доцент

3
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИСЦИПЛИНЕ
Дисциплина «Теоретические основы электротехники» должна обеспечивать формирование знаний, умений и компетенций в области электротехники, необходимых в профессиональной деятельности, а также базовую подготовку для успешного изучения специальных дисциплин.
Целью преподавания дисциплины является изучение студентами теории различных электрических цепей для решения проблем передачи, обработки и распределения электрических сигналов в системах связи. Дисциплина
«Теоретические основы электротехники» формирует общетехнический фундамент подготовки будущих специалистов в области инфокоммуникационных технологий и систем связи. Курс ТОЭ способствует развитию творческих способностей студентов, умению формулировать и решать задачи изучаемой специальности. В результате изучения дисциплины у студентов должны сформироваться знания, умения и навыки, позволяющие проводить самостоятельный анализ различных электрических цепей.
Главной задачей изучения электротехники является обеспечение целостного представления студентов о проявлении электромагнитного поля в электрических цепях, составляющих основу различных устройств.
Задачи дисциплины:

изучение методов расчета и анализаэлектрических цепей;

изучение основных электротехнических устройств;

освоение методов подготовки и проведения экспериментальных исследований электротехнических устройств;

ознакомление с методами компьютерного моделирования электромагнитных процессов в электротехнических устройствах.
«Теоретические основы электротехники» является первой дисциплиной, в которой студенты изучают основы построения, преобразования и расчета электрических цепей. Она находится на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую и специальную подготовку студентов. Изучая эту дисциплину, студенты впервые знакомятся с принципами функционирования, методами анализа и расчета рассматриваемых электрических цепей. Приобретенные студентами знания и навыки необходимы как для грамотной эксплуатации инфокоммуникационной аппаратуры, так и для разработки устройств, связанных с передачей и обработкой сигналов.
«Теоретические основы электротехники» входит в базовую часть профессионального цикла образовательной программы бакалавра.
После изучения теоретических разделов курса студент должен выполнить курсовую работу. Выполнение курсовой работы облегчается, если для расчётов и построения графиков будет использоваться любая известная и удобная студенту программа.

4
Как пример,
для этих целей рекомендуется применение программы Scilab.
Пакет программного обеспечения для научных и инженерных вычислений
Scilab является бесплатным и может быть загружен с (https://www.scilab.org/).
Допущенная к защите курсовая работа, в которой выполнены необходимые исправления по замечаниям рецензента, предъявляется на зачётном занятии.
Практикумы выполняются на персональном компьютере с применением системы схемотехнического моделирования Micro-Cap по расписанию аудиторных занятий учебных групп. Необходимо подготовиться к выполнению практикумов, изучив теоретический материал каждого из них по литературе [3-
5] имеющейся в библиотеке МТУСИ.
Самостоятельная работа студента заключается в выполнении курсовой работы, подготовке к аудиторным занятиям и подготовке к экзамену.
Виды контроля: защита лабораторных практикумов, защита курсовой работы, экзамен.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смирнов Н.И., Фриск В.В. Теория электрических цепей. Учебник для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2019. – 286 с.: ил.
2. Соболев В.Н. Теория электрических цепей: учебное пособие для вузов. –
М.: Горячая линия – Телеком, 2014. – 502 с.: ил.
3. Фриск В.В., Логвинов В.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем мобильной и стационарной радиосвязи, теория электрических цепей. Лабораторный практикум – II на персональном компьютере. – М.: СОЛОН-Пресс, 2011. – 480 с.: ил.
4. Фриск В.В. Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства, лабораторный практикум на персональном компьютере/
Фриск В.В., Логвинов В.В.— М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2016.— 608 c.
5. Фриск
В.В.
Теория электрических цепей, схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем мобильной связи, радиоприемные устройства систем радиосвязи и радиодоступа лабораторный практикум III/ Фриск В.В., Логвинов В.В.—
М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2016.— 479 c.

5
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
Требования к оформлению курсовой работы
1. Курсовая работа должна быть напечатана на одной стороне листа (формат
А4). Другая сторона листа предназначается для внесения студентом исправлений и дополнений по результатам рецензии, что облегчает работу над ошибками самому студенту и последующую проверку исправлений рецензенту при повторном рецензировании.
2. Все страницы следует пронумеровать.
3. Титульный лист оформляется по приложению 3.
4. На последней странице курсовой работы должен быть приведён список использованной литературы, а также поставлена подпись студента с указанием даты выполнения работы.
5. Решение каждой задачи должно начинаться с перечерчивания заданной электрической схемы. Должны быть указаны все числовые данные задания по требуемому варианту. При вычерчивании элементов схем следует придерживаться стандартных обозначений (Приложение 2).
6. При решении задач рекомендуется сначала составить уравнения в общем виде, а затем подставлять конкретные численные значения.
7. Следует иметь в виду, что в промежуточных формулах наименование единиц измерения не указывается. В формулах, после преобразований представленных в окончательном виде, и в численных результатах обязательно следует указать единицы измерения, в которых получен ответ.
8. Графики и чертежи выполняются с соблюдением масштабов, которые должны быть указаны. Чертежи могут выполняться на миллиметровой бумаге карандашом или с использованием стандартных компьютерных программ.
9. Все рисунки, чертежи, графики и таблицы должны быть пронумерованы.
10.
Вычисления рекомендуется выполнять с использованием компьютера.
Внимание!
Вариант задания определяется по двум последним цифрам номера
зачетной книжки: последняя цифра – N0, предпоследняя цифра – N1
ЗАДАНИЕ 1
На рисунках (0-9) таблицы 1 изображены электрические схемы. Номер схемы вашего варианта определяется в соответствии со значением N0
(последней цифры номера зачетной книжки), а параметры элементов определяются в соответствии со значением N1 (предпоследней цифры номера зачетной книжки) по таблице 2.

6
1. Изобразите электрическую схему, соответствующую вашему варианту.
Запишите значения параметров элементов схемы.
2. Задайте предполагаемые направления токов в ветвях схемы. Запишите систему уравнений по первому и второму законам Кирхгофа. Рассчитайте токи.
Для расчёта можно использовать систему MathCad или Scilab.
3. Рассчитайте баланс мощностей.
Таблица 1 0
1 2
3 4
5 6
7 8
9

7
Таблица 2
N1
E1,
B
E2,
B
E3,
B
R1,
Ом
R2,
Ом
R3,
Ом
R4,
Ом
R,R5
Ом
R6,
Ом
0 12 20 35 25 30 20 50 35 10 1
18 28 32 30 25 40 60 20 12 2
24 18 28 35 40 25 35 20 14 3
15 26 34 20 50 30 40 35 16 4
28 32 40 25 45 35 45 20 14 5
12 15 32 35 35 20 25 30 12 6
25 20 38 40 30 25 55 20 10 7
18 35 40 30 25 40 60 20 12 8
24 28 35 35 40 20 50 30 14 9
10 18 25 20 50 35 40 25 16
ЗАДАНИЕ 2
Расчетная схема выбирается на рисунках таблицы 3 в соответствии с N0
(последней цифры номера зачетной книжки), а параметры элементов определяются в соответствии со значением N1 (предпоследней цифры номера зачетной книжки) по таблице 4.
Таблица 3.
0.
1.
2.
3.
4.
5.

8 6.
7.
8.
9.
Таблица 4.
1
N
0 1
2 3
4 5
6 7
8 9
R, кОм
1.0 2.2 3.4 4.5 5.5 1.4 3.6 2.5 5.2 1.5
L, мГн
2.2 1.5 4.1 5.2 1.6 8.5 2.8 3.6 4.5 7.5
С, нФ
34 18 15 24 31 28 15 18 22 14
1. Рассчитайте значения токов во всех ветвях и напряжений на всех элементах цепи, если на входе цепи действует гармонический сигнал
( )
sin(
)
m
u t
U
t




 
. Параметры источника гармонического напряжения определяются по таблице 5 в соответствии с предпоследней цифрой номера зачетной книжки N1.
2. Проверьте баланс комплексных мощностей.
Таблица 5.
N1
B
,
m
U
f, кГц
ψ
0 20 110 45 1
40 180
-30 2
50 200 рад
,
2
π
3 80 80 рад
,
π
4 30 65

180
-
5 80 120 рад
,
π
-
6 50 80

45
-
7 70 120 рад
,
π
1.5

8 80 70

270 9
30 80

30

9
ЗАДАНИЕ 3
Расчетная схема выбирается на рисунках таблицы 3 в соответствии с N0
(последней цифры номера зачетной книжки), а параметры элементов определяются в соответствии со значением N1 (предпоследней цифры номера зачетной книжки) по таблице 4.
1. Для заданной цепи получите выражение комплексной передаточной функции по напряжению
2 1
(
)
(
)
(
)
U
j
H j
U
j




. Запишите выражение и постройте графики АЧХ и ФЧХ цепи.
2. Выпишите фрагмент передаваемого сообщения (таблица. 6) и изобразите в масштабе фрагмент сигнала, если «1» соответствует +U, а «0» -
(-U), m-номер по журналу. Длительность импульса
4 10

с, U=5В.
Таблица 6. m
1 2
3 4
5
Сигнал
101100 100110 100101 101001 110010 m
6 7
8 9
10
Сигнал
110100 011001 010110 000111 010011 m
11 12 13 14 15
Сигнал
100100 001001 011100 001100 100101 m
16 17 18 19 20
Сигнал
010100 110110 001110 001110 000101 m
21 22 23 24 25
Сигнал
110010 110001 110101 100010 001100 m
26 27 28 29 30
Сигнал
101010 010101 110010 100011 001101
3. Найдите выражение для спектральной плотности сигнала (п.2) и постройте график модуля этой спектральной плотности.
4. Рассчитайте спектральную плотность сигнала на выходе схемы
(таблица 3) и постройте график модуля этой спектральной плотности. На вход подается сигнал (п.2).
5. Найдите выражения для переходной и импульсной характеристик схемы и постройте графики полученных характеристик.
6. На вход заданной цепи (таблица 3) подается сигнал (п.2). Найдите выражение для сигнала на выходе цепи. Постройте временные диаграммы сигналов на входе и выходе цепи.
7. Сделайте обоснованные выводы о возможности использования заданной цепи для передачи вашего сигнала, если отсчет значения символа сообщения проводится по уровню
0.9 U


в конце каждого символа сигнала.

10
ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
1
f
T

, (Гц) – циклическая частота гармонического колебания;
1
T
f

, (с) – период гармонического колебания;
2 2 f
T





, (рад/с) ‒ угловая частота;
,
i
u


, (радиан или градус) ‒ начальные фазовые углы тока и напряжения;
(
)
Z
u
i

 


‒ начальный фазовый угол сопротивления (сдвиг фаз между напряжением и током);
,
,
m
m
m
E
I
U ‒ комплексные амплитуды э.д.с., тока, напряжения;
,
,
m
m
m
E
I
U ‒ амплитуды э.д.с., тока, напряжения;
, ,
E
I
U ‒ комплексные действующие значения э.д.с., тока, напряжения;
, ,
E
I
U ‒ действующие значения э.д.с., тока, напряжения; exp(
)
Z
Z
R
jX
Z
j

 

‒ комплексное сопротивление;
Z – модуль комплексного сопротивления;
R – вещественная часть комплексного сопротивления (резистивное сопротивление);
X
– мнимая часть комплексного сопротивления (реактивное сопротивление);
S
P
jQ
 
,
(
)
В А

‒ комплексная мощность;
P , (Вт) – активная мощность;
Q
, (вар) – реактивная мощность;
( )
p t
, (BA) – мгновенная мощность.
Следует обратить внимание на различие в форме записи амплитуд
,
,
m
m
m
E
I
U и действующих значений – , ,
E
I
U .
Соотношение между амплитудой и действующим значением:
2
m
U
U
 
2
m
U
U

Функция мгновенных значений физической величины (например, напряжения), изменяющаяся по закону гармонической функции, изображается в виде функции комплексной амплитуды (или комплексного действующего значения): u(t)
U
cos(ω t
ψ)
m


 
; jψ
U
U
e m
m


;
U
jψ
m
U
e
2



11
КРАТКИЙ ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
1. Режим постоянного тока.
1.1. Закон Ома
Закон Ома применяется для отдельной ветви или для одноконтурной замкнутой цепи (не имеющей разветвлений).
При расчёте тока по закону Ома, прежде всего, необходимо задать произвольно положительное направление тока.
Для ветви между узлами a,b при положительном направлении тока от узла a к узлу b
a
b
ab
V
V
E
U
E
I
R
R









, (1.1) где
a
V
и
b
V
— потенциалы узлов a и b;
b
V
a
V
ab
U


— разность потенциалов, или напряжение, между узлами a и b;

E
— алгебраическая сумма электродвижущих сил (ЭДС), находящихся в этой ветви; со знаком плюс «+» берут те ЭДС, направление которых совпадает с выбранным положительным направлением тока, а со знаком минус «-» — ЭДС с противоположным направлением;

R
— арифметическая сумма сопротивлений ветви(полное сопротивление ветви между узлами a и b).
Формулу (1.1) называют обобщённым законом Ома.
Для замкнутой одноконтурной цепи
,
E
I
R



(1.2) где

R
— арифметическая сумма всех сопротивлений цепи.
Задача 1.1
На рисунке 1.1 изображена схема участка цепи.
Дано:
8 В
a
V

;
12 В
b
V

;
1 8 Ом
R

;
2 2 Ом
R

;
1 15 В
E

;
2 25 В
E

Найти ток I .
Рис 1.1

12
Решение.
Используя формулу закона Ома (1.1), запишем выражение тока
1 2
1 2
8 12 15 25 0,6 А
8 2
a
b
V
V
E
E
I
R
R











Задача 1.2
Для цепи, приведённой на рисунке 1.2, рассчитать токи в ветвях с резистивными сопротивлениями, используя закон Ома.
Рис 1.2
Заданы параметры элементов: E
1
= E
3
= 10 B; E
2
= 20 B; R
1
= R
2
= R
3
= 10 Ом
Решение. Цепь содержит два узла и три ветви. Обозначим токи ветвей и произвольно зададим их положительные направления.
Рис 1.3
Идеальный источник ЭДС E3 задаёт напряжение между узлами a и b.
Учитывая, что стрелка ЭДС направлена в сторону большего потенциала, получаем:
3
ab
a
b
U
V
V
E



Теперь по закону Ома рассчитываем токи в ветвях с резистивными сопротивлениями:
3 1
1 2
1 1 (А)
E
E
I
R
R




;
3 2
1 3
1 (А)
E
E
I
R


 
Значение второго тока получилось отрицательным, следовательно, действительное направление данного тока противоположно направлению, выбранному нами.
Ток в ветви с источником E3 рассчитать по закону Ома невозможно, т.к.

13 сопротивление ветви равно нулю.