МУ Общая электротехника и радиоэлектроника СПГ (1). Методические указания по выполнению контрольной работы 1 для студентов заочной формы обучения по специальности 21. 05. 01 Прикладная геодезия, направлению подготовки 21. 03. 03 Геодезия и дистанционное зондирование
 Скачать 3.2 Mb.
|
|
Вопрос для самоконтроля 1. На чем основана работа дифференцирующей и интегрирующей цепей? РЕЗОНАНС В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ И БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ Явление резонанса относится к наиболее важным с практической точки зрения свойствам электрических цепей. Резонанс в электрической цепи – это явление в электрической цепи , содержащей участки, имеющие индуктивный и емкостной характер, при этом разность фаз напряжений и токов на входной цепи равна нулю. Это явление позволяет получить напряжение на ёмкости или индуктивности значительно больше напряжения питания (но, конечно, без увеличения мощности). Общее условие резонанса. Для любого двухполюсника общее условие можно сформулировать в виде Im[Z]=0 (при резонансе напряжений) Im[Y]=0, (при резонансе токов) где Im[Z] и Im[Y] мнимая часть комплексного сопротивления и мнимая часть комплексной проводимости двухполюсника. Следовательно, режим резонанса полностью определяется параметрами электрической цепи и не зависит от внешнего воздействия на нее со стороны источников электрической энергии. Для определения условий возникновения режима резонанса в электрической цепи нужно: найти ее комплексное сопротивление или проводимость; выделить мнимую часть и приравнять её нулю. 82 Простейшими электрическими цепями, в которых может возникать резонанс, являются последовательное и параллельное соединения резистора, индуктивности и емкости. Рисунок 54. Последовательный и параллельный колебательные контура Соответственно схеме соединения, эти цепи называются последовательным и параллельным резонансным контуром (Рисунок 54). Наличие резистивного сопротивления в резонансном контуре по определению не является обязательным, и оно может отсутствовать как отдельный элемент (резистор). Однако при анализе резонанса это сопротивление следует учитывать, по крайней мере, как сопротивление проводников. Именно на этом резистивном сопротивлении теряется часть электромагнитной энергии, поэтому его называют сопротивлением потерь. Чем потери меньше, тем качественнее контур. Качество контура оценивается параметром, который называется добротность контура. Последовательный резонансный контур представлен на рис. 54 слева. Напомним, что фаза индуктивного сопротивления +90 0 , а ёмкостного минус 90 градусов, тогда Комплексное сопротивление цепи равно (1) Условием резонанса из выражения (1) будет (2) Таким образом, резонанс в цепи наступает, когда индуктивное сопротивление x L = ωL равно емкостному сопротивлению x C =1/(ωC). Эти сопротивления в контуре имеются, но (и это самое важное) их сумма (векторная) равна нулю, то есть, по закону Ома, ток ограничивает только сопротивление потерь R. При резонансе сила тока максимально возможная. 83 Значение сопротивления при резонансе x L =x C =ρ называется характеристическое или волновое сопротивление контура. Отношение ρ/R=Q является добротностью контура. Частота ω Р при резонансе называется резонансная частота и равна частоте собственных колебаний контура ω 0 = LC 1 , а ρ= C L Рассмотрим теперь падения напряжения на элементах контура. Пусть резонансный контур питается от источника, создающий ток i=I m sinωt. Падение напряжения на входе уравновешивается суммой напряжений на элементах (4) Переходя от амплитудных значений к действующим, получим напряжения на отдельных элементах контура , а при резонансной частоте Величина обратная добротности =1/Q – называется затуханием. Таким образом, добротность числено равна отношению напряжения на реактивном элементе контура к напряжению на резисторе или на входе в режиме резонанса (рисунок 55). Добротность может составлять несколько десятков единиц и во столько же раз, напряжение на реактивных элементах контура будет превышать входное. Поэтому резонанс в последовательном контуре называется резонансом напряжений. 84 Рисунок 55. Резонансные кривые Вопросы для самоконтроля 1. В чем суть резонанса токов и напряжений? 2. Условие возникновения электрического резонанса? 3. Что такое полоса пропускания и добротность контура? Принципы беспроводной связи Для реализации беспроводной связи (передачи информации через пространство) необходимо иметь источник, излучающий энергию в пространство, а с этой энергией, переносилась бы информация. Если заставить энергию меняться во времени, то есть закодировать её информацией, а в другой точке пространства приёмник энергии раскодировал её, то есть извлёк бы информацию. В качестве излучателя и приёмника можно использовать колебательные контура. В контуре необходимо создать незатухающие колебания (смотри генераторы гармонических колебаний), и заставить электромагнитную энергию излучаться в пространство. Для этого одна пластина конденсатора колебательного контура становится антенной. Рисунок 56. Превращение колебательного контура в излучатель электромагнитной энергии 85 На рисунке показаны: В – силовые линии индукции магнитного поля, Е – силовые линии напряженности электрического поля. Эта электромагнитная энергия излучается в пространство (рис. 56б). На рисунке 57б представлена временная диаграмма тока в антенне, соответствующего телеграфному сигналу азбуке Морзе «точка», «тире», или, что, то же самое, передача в двоичном коде «единицы» на частоте f 2, «нуля» на частоте f 1 . Правый участок частотой f 2 соответствует передачи трёх единиц подряд. Такое кодирование, излучаемой энергии с целью передачи информации называется кодированием по частоте, или частотной модуляцией (FM) несущей частоты f 2. . Частотная модуляция помехоустойчивая, поэтому для передачи информации с высоким качеством, радиостанции используют FM. Рисунок 57 Формы сигналов при частотной модуляции. Однако, для передачи звука чаще используют амплитудную модуляцию. На рисунке 58 представлена амплитудная модуляция. Высокая несущая частота с амплитудой I м0 (рис. 58б) изменяется по амплитуде по закону изменения звука (огибающая, рис. 58а). Приёмник извлекает огибающую (детектирует сигнал), то есть извлекает информацию. 86 Рисунок 59. Амплитудная модуляция На рисунке 60 представлена простая схема приёмника прямого усиления, состоящая из четырёх блоков: входного колебательного контура с приёмной антенной, усилителя высокой частоты (УВЧ, усиливает несущую частоту), детектора, выделяющего низкую частоту (огибающую) и усилителя низкой частоты (УНЧ, звуковой). Колебательный контур передатчика настроен на резонансную частоту (несущая частота), которая модулирована информацией. Переменное электромагнитное поле несущей частоты, излучаемое в пространство, по закону электромагнитной индукции, создаст в приёмной антенне индукционный ток. Если приемный колебательный контур настроен на резонансную частоту передатчика, то в нём возникнут колебания, соответствующие колебаниям в передатчике. Поэтому, чем выше добротность контура, тем лучше он сможет выделить одну из близко расположенных несущих частот. Если добротность плохая, то можно одновременно принимать два и более передатчика, которые для принимающей стороны мешают друг другу. 87 Рисунок 60. Схема приёмника прямого усиления При амплитудной модуляции информация закладывается в изменение амплитуды. Внешние электромагнитные поля, не связанные с передатчиком, также по закону электромагнитной индукции создают ток в антенне приёмника, искажая амплитуду несущей частоты передатчика, то есть искажают информацию. При частотной модуляции такого не происходит, так как искажается амплитуда, а информация заложена в частоте. Вопросы для самоконтроля 1. Как получается открытый колебательный контур? 2. Что такое несущая частота? 3. Как несущая частота передаёт информацию? 4. Как информация выделяется в приёмнике? 5. Как в приёмнике происходит поиск требуемого передатчика? 6. Что такое частотная модуляция и почему она используется в носимых радиостанциях? ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Дискретизация по времени и квантование по уровню лежат в основе преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую. Для того, чтобы понять, как дискретизация по времени и квантование могут преобразовать аналоговый сигнал в последовательность чисел, давайте вначале рассмотрим характеристики этого сигнала. 88 Аналоговый сигнал — это напряжение, непрерывно изменяющееся во времени. Таким образом, аналоговый сигнал имеет два параметра — время и уровень (величину сигнала) — и для его правильной передачи эти параметры необходимо закодировать. В цифровом сигнале также должна сохраняться временная и уровневая информация. Но вместо кодирования и записи этих параметров в аналоговой форме (как на грампластинке), в цифровой записи временные и уровневые параметры сохранены в дискретной форме. Временная информация кодируется в цифровой форме путем периодического измерения мгновенных значений сигнала. Дискретное значение аналогового сигнала называют отсчетом. Уровень кодируется в результате представления значения каждого отсчета при помощи числа. Этот процесс называется квантованием. Таким образом, дискретизация по времени и квантование по уровню являются основой цифрового преобразования Дискретизацию можно проводить не только по времени, но и по количеству необходимых отсчетов. Рисунок 61. Сигнал до квантования (а), сигнал после квантования (б), ошибка квантования На рисунке 61а сигнал, содержащий 256 отсчетов (отдельные отсчеты в этом масштабе не различимы), значения уровня сигнала измеряются в вольтах и изменяются непрерывно, т.е. квантования нет. На рисунке 61б показан тот же 89 сигнал после квантования с числом двоичных разрядов b = 4, т.е. имеющий 16 уровней квантования. Размер шага квантования h = 0,1. Масштаб шкалы по вертикальной оси координат такой же, как на предыдущем рисунке. На рисунке 61в показаны значения величины ошибки , вносимой в сигнал операцией квантования (переход от непрерывной записи к дискретной). Несмотря на то, что переход к цифровой записи вносит свою ошибку, тем не менее, преимущества цифровой записи очевидны – почти полная помехозащищенность и стабильность. Электронные ключи Электронный ключ - элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое рисунок 62 Рисунок 62. Функциональная схема ключа и диаграммы выходного напряжения при замыкании и размыкании Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы. Рассмотрим режимы работы транзисторного ключа на биполярном транзисторе. Выбираем транзистор n-p-n типа, схема включения с общим эмиттером показана на рисунке 63. Для ключа на транзисторе p-n-p типа меняются полярности напряжений. 90 Рисунок 63. Принципиальная схема транзисторного ключа на транзисторе n-p-n типа и входные характеристики с нагрузочной прямой (U ИП =Е К ) Выходное напряжение K K ИП R I U U 2 (по закону Ома для активного участка цепи K R , транзистор). Транзистор в нашей схеме может находиться в одном из трёх состояний: 1) Закрыт (выключен), находится в режиме отсечки (область 1); 2) Открыт, находится в линейной области в активном режиме (область 2); 3) Открыт (включён), находится в режиме насыщения (область 3). 1) Режим отсечки: Режим отсечки создаётся путём подачи на базу транзистора запирающего отрицательного напряжения , транзистор закрыт, оба p-n перехода смещены в обратном направлении , ключ выключен. 2) Активный режим: Активный режим создаётся путём подачи на базу транзистора положительного напряжения 0 бэ U . При этом эмиттерный p-n переход будет смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном направлении, т.к. бэ кэ U U . Это режим используется для усиления электрических сигналов. В активной области выходной ток линейно зависит от входного тока через коэффициент усиления транзистора. 3) Режим насыщения. Такой режим наступает когда бэ кэ U U , при этом транзистор открыт. Оба p-n перехода смещены в прямом направлении. В режиме насыщения транзистор перестаёт управляться по цепи базы , поэтому ток коллектора насыщения кн I остаётся неизменным и определяется 0 бэ U 91 сопротивлением нагрузочного резистора к R : (ключ включен, выходное напряжение около нуля) к к кн R U I Дальнейшее увеличение входного сигнала при бэ кэ U U приводит к увеличению потока электронов из эмиттера в базу и электроны (неосновные носители) в виде объёмного заряда скапливаются в области базы. Наступает так называемое насыщение транзистора. С физической точки зрения степень насыщения характеризует собой величину избыточного заряда зар Q неосновных носителей (электронов) в базе транзистора. С ростом тока базы растёт по экспоненциальному закону объёмный заряд неосновных носителей в базе. Чем больше избыточный заряд зар Q , тем сильнее насыщен транзистор, а рассеивание заряда обуславливает инерционность транзистора при его выключении, что в итоге существенно влияет на быстродействие ключевой схемы. Логические схемы Из предыдущего становится ясно, что цифровая электроника легко реализуется на ключах. Есть выходной сигнал – логическая единица, нет сигнала – логический ноль. Два устойчивых состояния позволяют использовать двоичную систему отсчета. Математический аппарат, с помощью которого записывают, вычисляют, упрощают и преобразовывают логические высказывания, был создан английским математиком Джорджем Булем (19 век), в честь которого она названа булевой алгеброй высказываний. Логическими элементами, или комбинационными схемами являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. (называемые также вентилями). Их выходной сигнал зависит только от сигналов на входах. А также триггер, устройство с двумя устойчивыми состояниями и с памятью. Его выходной сигнал зависит и от того какой был сигнал на входе последний раз. С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств. Работу логических комбинационных элементов описывают с помощью таблиц истинности. 92 Схема И реализует конъюнкцию (логическое умножение) двух или более логических значений Сигнал проходит на выход или нет (два последовательных ключа) Таблица истинности х y х и у 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Схема ИЛИреализует дизъюнкцию (логическое сложение) двух или более логических значений. Два параллельных ключа. Сигнал пройдёт на выход даже при замыкании одного ключа Таблица истинности х y х или у 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания 93 На выходе кружочек обозначает отрицание (инвертирование) входной величины. На входе – логический 0, на выходе - логическая 1и наоборот. В отличие от комбинационных схем значения выходных сигналов последовательностных схем в данный момент времени зависят не только от значений входных сигналов в этот же момент времени, но и от их предыдущих значений. Из этого следует, что последовательностная схема реализует функциональную связь уже не между отдельными значениями входных и выходных сигналов, а между их последовательностями. Поэтому, в отличии от рассмотренных ранее схем, работу последовательностных схем следует рассматривать во времени. Для того, чтобы значения выходных сигналов зависели от предыдущих значений входных, последовательностные схемы должны обладать памятью, в которой сохраняется информация о предыдущих входных воздействиях. Эта информация используется в виде совокупности сигналов, вырабатываемых памятью. Особое значение при изучении последовательностных схем имеют элементы памяти – триггеры. Триггеры – это логические устройства с памятью, которые способны длительно оставаться в одном из двух возможных устойчивых состояний и скачком чередовать их под действием управляющих сигналов. Основу триггеров составляют простейшие запоминающие ячейки, представляющие собой симметричную структуру из двух логических элементов ИЛИ-НЕ либо И-НЕ, охваченных перекрёстной обратной связью( рисунок 64). & & R S Q Q 1 1 R S Q Q S R T S R Q Q S R T S R Q Q Рисунок 64. Принципы построения триггерных ячеек и их условные обозначения. Вход, по которому ячейка устанавливается в состояние 1, обозначается 94 буквой S, а в состоянии 0 – буквой R. Отсюда название таких триггеров – «триггер RS». Кроме триггеров RS существуют другие типы: JK – триггер (универсальный триггер), D триггер, или триггер задержки, имеющий один информационный вход, Т-триггер (счетный триггер), TV-триггер кроме счётного входа Т имеет второй, управляющий, V-вход для разрешения приёма информации. TV- триггер называют тактируемым или синхронным счётным триггером. Кроме этого триггеры могут статическими и синхронными (синхронизироваться отдельными синхроимпульсами). На триггерах реализуются счетчики, регистры и другие устройства цифровой электроники. Счётчики Счётчиком называется устройство, сигнал, на выходе которого в определённом коде отображает число импульсов, поступающих на счётный вход. Т-триггер, например, может считать до двух. Счётчик, образованный цепочкой из m триггеров, сможет считать в двоичном коде до 2m импульсов. Каждый из триггеров такой цепочки называют разрядом счётчика. Число m определяет количество разрядов двоичного числа, которое может быть записано в счётчик. Число Ксч=2m называют коэффициентом (модулем) счёта или ёмкостью счетчика. Регистры Назначение регистров – хранение и преобразование многоразрядных двоичных чисел. Они используются в качестве управляющих и запоминающих устройств, генераторов и преобразователей кодов, счётчиков, делителей частоты, узлов временной задержки. Регистры строят чаще всего на синхронных D-триггерах или на JK – триггерах. Одиночный триггер может запоминать (регистрировать) один разряд (бит) двоичной информации. Поэтому триггер можно считать одноразрядным регистром. Занесение информации в регистр называют операцией ввода или записи. Запись информации в регистр не требует его предварительного обнуления. 95 Выдача информации к внешним устройствам характеризует операцию вывода или считывания. В схемы регистров входят комбинационные элементы, роль которых вспомогательная: для выполнения операций “сброс” (Уст.0), “запись”, “считывание” и др. Регистры в зависимости от функциональных свойств бывают: накопительные (регистры памяти, хранения); сдвигающие. универсальные Сдвигающие регистры делятся: по направлению передачи (сдвига) информации на однонаправленные и реверсивные. Универсальные регистры делятся: по способу вводы и вывода информации на параллельные, последовательные и комбинированные (параллельно-последовательные и последовательно-параллельные). Делители числа входных импульсов После каждого цикла счёта на выходах последнего триггера возникают перепады напряжения. Это свойство определяет второе название счётчиков: деление числа входных импульсов. Если входные сигналы периодичны и следует с частотой f ВХ , то частота выходных импульсов, снимаемых с выхода последнего триггера будет f ВЫХ = f ВХ / К СЧ Любой счетчик импульсов может быть использован как делитель частоты. |