Задание 2.3.1. Исследование процесса передачи электрических сигналов от источника к нагрузке
Кафедра « Измерительно-вычислительные комплексы »
Дисциплина «ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ.
ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ»
Лабораторная работа № 2
Вариант: 13
Исследование процессов передачи и преобразования электрических сигналов в инфокоммуникационных системах и сетях
Выполнил:
Студент группы ИСТбд-31
Силантьев А. Р.
Проверил:
Ефимов И. П.
Ульяновск
2020
Цель: познакомиться с процессами передачи и преобразования электрических сигналов в ИКСС; получить навыки в исследовании и анализе электрических сигналов в каналах передачи и преобразования информации; исследовать процессы передачи и преобразования информации в ИКСС.
Кратка теоретическая справка:
В процессе передачи и преобразования информации в ИКСС электрические сигналы подвергаются запланированной и случайной трансформации. Под запланированной трансформацией понимается предусмотренное аппаратным и программным обеспечением ИКСС преобразование сигналов: изменение формы сигналов; усиление; масштабирование; ограничение; фильтрация; модуляция и другие преобразования.
К процессу передачи сигнала от его источника к нагрузке могут предъявляться различные требования, основными из которых являются: передача максимальной мощности сигнала в нагрузку; обеспечение максимального напряжения на нагрузке; передача максимального тока в нагрузку.
|
|
|
На рис. 2.1 представлена универсальная эквивалентная схема процесса передачи сигнала от источника к нагрузке.
Для обеспечения максимального напряжения на нагрузке необходимо, чтобы внутреннее сопротивление источника сигнала Rи было много меньше по сравнению с сопротивлением нагрузки Rн. В этом случае практически все напряжение источника сигнала V1 будет падать на сопротивление нагрузки.
Если требуется обеспечить максимальный ток в нагрузке, то сопротивление нагрузки должно быть минимальным. При этом в цепи будет протекать максимальный ток.
Передача максимальной мощности сигнала в нагрузку обеспечивается при равенстве сопротивлений генератора и нагрузки. На рис. 2.1 показана зависимость мощности в нагрузке в зависимости от соотношения сопротивлений Rи и Rн.
Как видно из рис. 2.1, максимальное значение мощности в нагрузке обеспечивается при выполнении условия: Rи = Rн. Если сопротивление нагрузки отличается от сопротивления источника, передачи максимальной мощности не происходит. При этом наихудшей является ситуация, когда сопротивление Rн становится меньше сопротивления Rи.
|
|
|
В процессе передачи электрических сигналов в ИКСС последние могут подвергаться процессам дифференцирования и интегрирования. В большинстве случаев такие преобразования не являются запланированными и либо обусловлены проявлением паразитных емкостей и индуктивностей в каналах передачи информации, либо являются «побочным продуктом» процессов фильтрации передаваемых сигналов.
Схема дифференцирования сигнала представлена на рис. 2.3.
Дифференцирование сигнала может иметь место при наличии паразитных емкостных связей. С другой стороны, схема, рис. 2.3, представляет собой стандартный функциональный узел обработки электрических сигналов – фильтр высокой частоты.
Назначением фильтра высокой частоты является «вырезание» из спектра сигнала его низкочастотной составляющей. Данный эффект обеспечивается за счет того, что сопротивление конденсатора для низкочастотных составляющих сигнала достаточно высоко. Высокочастотный сигнал практически не встречает сопротивление со стороны конденсатора.
Пример дифференцирования сигнала (прямоугольные импульсы) показан на рис. 2.4.
Реальная ситуация в случае паразитных емкостных связей может быть значительно хуже. Так, на рис. 2.5 представлен процесс дифференцирования сигнала при уменьшении емкости С1 на два порядка.
|
|
|
Пример дифференцирования экспоненциального сигнала показан на рис. 2.6.
Пример интегрирования прямоугольного сигнала (длительность импульса 400 нс) при величине емкости С1 = 0,0005 мкФ приведен на рис. 2.8. При увеличении емкости С1 искажения импульсов увеличиваются.
На рис. 2.9 показан тот же самый процесс интегрирования при С1= 0,005 мкФ.
Анализируя рис. 2.8 и 2.9, можно сделать вывод, что при увеличении емкости С1 в десять раз по сравнению с процессом, рис. 2.8, форма импульсов на нагрузке совершенно перестала соответствовать прямоугольному сигналу.
Контроль качества каналов связи в ИКСС (сетях Ethernet) является обязательной и регулярной процедурой, ответственность за исполнением которой возложена на системного администратора. Целью таких проверок является удостоверение в том, что линии связи не создают препятствий в работе ИКСС. Для диагностики сигналов в каналах связи используются специальные аппаратно-программные комплексы. Пример выполнения диагностической процедуры показан на рис. 2.10.
Надежность и помехозащищенность каналов связи в ИКСС зависит как от качества комплектующих, так и от организации самих каналов связи, то есть от организации и построения самой сети. Для обеспечения устойчивой работы сети необходимо на стадии ее реализации не только использовать известные рекомендации и нормативные документы, но проводить дополнительные исследования и измерения.
|
|
|
Например, даже лишний перехлест пары проводов при расшивании гигабитного соединения может привести к тому, что линия связи по своим техническим параметрам и характеристикам не будет соответствовать заданной категории.
Известен случай, когда искажения сигналов в локальной сети фирмы приводили с сбоям в работе информационной системы из-за того, что не были учтены все нюансы прокладки кабелей, размещенных за декоративными потолочными панелями, где помимо сетевых кабелей, располагались электрическая проводка и некоторые электрические и электронные вспомогательные элементы офисного оборудования.
Все линии связи локальной сети должны быть проверены стандартным сертифицированным оборудованием. Такая процедура позволяет не только выявить актуальные на данный момент времени проблемы в компоновке сети, но и идентифицировать ухудшение параметров линий связи, которое может привести к сбоям при передаче информационных сетевых сигналов после некоторого периода эксплуатации.
При обработке и преобразовании сигналов в ряде случаев требуется использование электронных фильтров, которые могут быть пассивными или активными. В общем случае можно говорить об использовании всех четырех видов фильтров: низкочастотного, высокочастотного, полосового и режекторного.
Одной из основных задач фильтра является избавление канала передачи информации от помех и наводок. Например, кабель передачи данных проложен в производственном цехе, и на этот кабель действуют индустриальные помехи. Частота индустриальных помех чаще всего равна 50 или 60 Гц. Также возможно повышенное значение частоты помех 400, 800 или 1000 Гц. Так как частота информационных сигналов в ИКСС превышает частоту индустриальных помех, то для устранения последних может быть использован фильтр высокой частоты.
Схема простейшего фильтра низкой частоты приведена на рис. 2.11.
Принцип действия фильтра основан на том, что схема является делителем напряжения для источника входного сигнала V1. Для низкочастотного сигнала конденсатор С1 имеет высокое сопротивление, значительно большее, чем сопротивление резистора R1. Поэтому практически все напряжение источника входного сигнала падает на нагрузке фильтра Rн (Rн много больше R1). Для высокой частоты сигнала конденсатор имеет минимальное, практически нулевое, сопротивление. Поэтому на нагрузочном резисторе практически отсутствует высокочастотный сигнал.
Пример использования фильтра низкой частоты для фильтрации приведен на рис. 2.12 и 2.13.
По некоторому кабельному каналу передачи информации индустриальной сети передается низкочастотный сигнал от датчика давления (верхний график на рис. 2.12). На полезный информационный сигнал накладывается индустриальная помеха частотой 50 Гц (средний график на рис. 2.12). В результате сигнал, несущий информацию о давлении в техническом резервуаре, искажается (нижний график на рис. 2.12). После прохождения через фильтр низкой частоты сигнал практически полностью восстанавливается, рис. 2.13.
Эффективность подавления помехи зависит как от частоты среза фильтра, так и от крутизны его характеристики, которая в конечном счете определяется порядком фильтра, рис. 2.14.
На частоте среза выходной сигнал уменьшается на 3дБ, что соответствует уровню сигнала равному 0,7 от его значения в начале полосы пропускания. В полосе заграждения уровень сигнала постоянно падает с ростом частоты. Для фильтра, рис. 2.11, крутизна (спад) характеристики составляет -20дБ/декада.
Схема фильтра высокой частоты показана на рис. 2.15.
Принцип действия фильтра высокой частоты аналогичен принципу действия фильтра низкой частоты, с той лишь разницей, что напряжение низкой частоты падает на конденсаторе С1 и практически равно нулю на сопротивлении нагрузки. Для высокочастотного сигнала сопротивление конденсатора равно нулю, поэтому практически все его напряжение падает на сопротивлении нагрузки, которое подключено параллельно резистору R1. Амплитудно-частотная характеристика фильтра высокой частоты аналогична характеристике, рис. 2.14 с той лишь разницей, что в полосе пропускания находятся высокие частоты, а в полосе заграждения – низкие частоты.
Фильтр высокой частоты может быть использован для уменьшения искажения высокочастотного сигнала низкочастотной помехой. На рис. 2.16 показан пример исправления искажения сигнала частотного датчика температуры, обусловленного индустриальной помехой частотой 50 Гц.
Сигнал частотного датчика температуры искажается наложенной на него низкочастотной индустриальной помехой (верхний график на рис. 2.16). Сигнал на выходе фильтра высокой частоты (нижний график на рис. 2.16) оказывается практически очищенной от помехи.
Общий вывод по работе: при выполнении работы были освоены принципы работы в программе Micro-Cap, а именно: построение основных элементов цепи, вычисления основных элементов цепи, используя средство Dynamic DC для проверки с вычисленными значениями. Также было проведено исследование процесса передачи электрических сигналов от источника к нагрузке, исследование процесса дифференцирования и интегрирования сигналов в каналах передачи информации в ИКСС, принципы фильтрации электрических сигналов в ИКСС.
Задание 2.3.1. Исследование процесса передачи электрических сигналов от источника к нагрузке
Рис. 2.1. Эквивалентная схема передачи сигнала от источника к нагрузке
Таблица 2.1 Параметры источника входного сигнала и номиналы элементов схемы, рис. 2.1:
| № варианта | Амплитуда сигнала  , мВ
| Частота сигнала  , МГц
| Сопротивление источника  , кОм
| Сопротивление нагрузки  , кОм
|
| 13 | 3000 | 1000 | 4,25 | 9,00 |
Таблица 2.2 Зависимость напряжения на нагрузке от сопротивления нагрузки:
| Сопротивление нагрузки , кОм
| Напряжение нагрузки  , мВ
| Сопротивление нагрузки , кОм
| Напряжение нагрузки , мВ
|
| 5 | 0,000000005112 | 6 | 0,000000005536 |
| 7 | 0,000000005884 | 8 | 0,000000006176 |
| 9 | 0,000000006424 | 10 | 0,000000006676 |
| 11 | 0,000000006821 | 12 | 0,000000006984 |
График зависимости =F( ):
Таблица 2.4 Зависимость тока в нагрузке от сопротивления нагрузки:
| Сопротивление нагрузки , кОм
| Ток в нагрузке  , мА
| Сопротивление нагрузки , кОм
| Ток в нагрузке , мА
|
| 1,75 | 0,000000000035552 | 2 | 0,000000000035519 |
| 2,25 | 0,000000000035486 | 2,5 | 0,000000000035452 |
| 2,75 | 0,000000000035419 | 3 | 0,000000000035386 |
| 3,25 | 0,000000000035353 | 3,5 | 0,000000000035320 |
| 3,75 | 0,000000000035287 | 4 | 0,000000000035254 |
| 4,25 | 0,000000000035221 | 4,5 | 0,000000000035188 |
График зависимости =F( ):
Таблица 2.5 Зависимость тока в нагрузке от сопротивления нагрузки:
| Сопротивление нагрузки , кОм
| Мощность сигнала в нагрузке  , мВт
| Сопротивление нагрузки , кОм
| Мощность сигнала в нагрузке , мВт
|
| 2,5 | 4,97E-27 | 2,75 | 5,019E-27 |
| 3 | 5,104E-27 | 3,25 | 5,167E-27 |
| 3,5 | 5,211E-27 | 3,75 | 5,241E-27 |
| 4 | 5,256E-27 | 4,25 | 5,261E-27 |
| 4,5 | 5,256E-27 | 4,75 | 5,244E-27 |
| 5 | 5,226E-27 | 5,25 | 5,203E-27 |
| 5,5 | 5,174E-27 | 5,75 | 5,142E-27 |
| 6 | 5,106E-27 | 6,25 | 5,069E-27 |
График зависимости =F( ):
Вывод: было проведено исследование процесса передачи электрических сигналов от источника к нагрузке, а также были построены различные зависимости, по которым можно определить величины сопротивления нагрузки, мощности сигнала, а также ток в нагрузке.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 187; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!