ЗМІСТ Звіту до практичної роботи
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, молоді та спорту УКРАЇНИ
Технологічний коледж Національного університету
«Львівська політехніка»
ЗАТВЕРДЖУЮ
Заступник директора
з навчально-методичної роботи
________________ Кривішин Н.Т.
“ _______ ” _____________2012 р.
Методичні вказівки до практичної роботи №1
Розрахунок часових характеристик
Електричних сигналів
з дисципліни “Комп’ютерна електроніка”
Спеціальність 5.05010201 “Обслуговування комп’ютерних систем і мереж”
Напрям підготовки 6.050102 “Комп’ютерна інженерія”
ЛЬВІВ 2012
Мандзевич Т.Д.
Розрахунок часових характеристик електричних сигналів: Методичні вказівки до практичної роботи з дисципліни «Комп’ютерна електроніка».– Львів, 2012, с.12.
В методичних вказівках до практичної роботи викладені короткі відомості з теорії електричних сигналів, описані основні часові характеристики детермінованих електричних сигналів: гармонічного сигналу та періодичної послідовності імпульсів різної форми, часові параметри окремих імпульсів.
З метою закріплення теоретичних знань у практичній частині наведено зміст завдання та приклад розрахунку основних параметрів конкретних типів електричних сигналів. Для виконання практичної роботи розроблено 30 варіантів індивідуального завдання.
Для студентів коледжу спеціальності 5.05010201 “Обслуговування комп’ютерних систем і мереж” базового напряму 6.050102 “Комп’ютерна інженерія”.
|
|
|
© Мандзевич Т.Д., 2012
Методичні вказівки до практичної роботи №1 “Розрахунок часових характеристик електричних сигналів” з дисципліни "Комп’ютерна електроніка" для студентів коледжу спеціальності 5.05010201 “Обслуговування комп’ютерних систем і мереж” базового напряму 6.050102 “Комп’ютерна інженерія”. Львів, 2012 – с.12.
Укладач:
Викладач коледжу Т.Д. Мандзевич
Методичні вказівки обговорені та схвалені на засіданні циклової комісії спеціальних комп’ютерних дисциплін коледжу
Протокол № від “____” __________2012 р.
Голова циклової комісії _______________ Л.М. Павліш
Рецензенти:
Войтович П.В. – викладач вищої категорії Технологічного коледжу Національного університету «Львівська політехніка»
Деревянченко Ю.Г. – викладач вищої категорії Технологічного коледжу Національного університету «Львівська політехніка»
Відповідальний за випуск:
Королевич І.Є. – завідувач відділення комп’ютерних технологій Технологічного коледжу Національного університету «Львівська політехніка»
МЕТА РОБОТИ
Вивчення характеристик електричних сигналів різної форми, визначення їх основних часових параметрів.
|
|
|
Основні положення
Електричний сигнал – це електричний процес, який несе в собі закодовану певним способом інформацію. Кількість інформації, яка може бути передана за допомогою деякого сигналу, залежить від основних його параметрів: тривалості, смуги частот, потужності і деяких інших характеристик. Найчастіше електричний сигнал представляється у вигляді змінної в часі напруги або струму.
Сигнали поділяються на детерміновані і випадкові. Детермінований сигнал – це сигнал, параметри і миттєве значення якого в будь-який момент часу можуть бути передбачені з ймовірністю одиниці. Прикладами детермінованих сигналів можуть бути імпульси або пачки імпульсів, форма, значення і положення яких в часі відомі. (рис. 1, а-е), а також неперервний сигнал з заданими амплітудними і фазовими співвідношеннями в середині його спектру (рис. 1, ж, з). Такі сигнали не несуть нової інформації, але їх використовують як тестові сигнали при дослідженні властивостей та характеристик електронних кіл та пристроїв.
Рис. 1. Часові діаграми електричних сигналів
Детерміновані сигнали поділяються на періодичні і неперіодичні. Періодичним називається будь-який сигнал, для якого виконується умова
|
|
|
, (1)
де T – період слідування (повторення), а k – будь-яке ціле число.
Величину, обернену до періоду повторення, називають частотою слідування f=1/T. Вона визначає кількість періодів за секунду та вимірюється в герцах ( Гц ), кілогерцах (кГц) і т.д.
Неперіодичним детермінованим сигналом називається будь-який детермінований сигнал, для якого не виконується умова (1). Прикладами таких сигналів можуть бути імпульси, пачки імпульсів, обривки гармонічних коливань і т.д.
До випадкових сигналів відносяться сигнали, значення яких наперед невідомі і можуть бути передбачені тільки з деякою ймовірністю.
Гармонічний сигнал (рис. 2) є елементарним детермінованим періодичним сигналом, який задається виразом:
, (2)
де 
- амплітуда (максимальне відхилення від нульового значення); w– кутова швидкість (кутова частота), яка має розмірність радіан/секунда; j– початкова фаза, яка має розмірність кутових одиниць – радіан (або градус).
Аргумент гармонічної функції 
називають повною фазою.
Рис. 2. Графік гармонічного сигналу як функції часу (часова діаграма)
|
|
|
У технічній літературі традиційно використовують косинусну форму подання гармонічної функції, яку теж будемо використовувати далі. Використання косинусоїдної форми зручніше, тому що косинус є парною функцією свого аргументу, що в деяких випадках спрощує розрахунки.
Гармонічний сигнал належить до класу неперервних у часі сигналів, які теоретично існують на необмеженому часовому інтервалі 
і задовольняють умову періодичності, тобто повторення миттєвих значень через період. Оскільки за період відбувається зміна повної фази на 
радіанів, то звідси випливає відоме співвідношення:
, (3)
У випадку гармонічних сигналів однакової частоти 
та 
говорять про різницю фаз, під якою розуміють величину 
, що дорівнює різниці їх початкових фаз: 
. Якщо 
(тобто 
), то кажуть, що сигнал u1(t) випереджає за фазою сигнал 
, якщо 
(тобто 
), то сигнал 
відстає за фазою від 
. Коли 
(тобто 
), то сигнали збігаються за фазою.
Важливою властивістю гармонічного сигналу є те, що похідна та інтеграл від гармонічного сигналу (2) теж є гармонічним сигналом з тією самою частотою, амплітуда якого залежить від частоти, а початкова фаза зсунута на p/2 відносно фази первинного сигналу:
, (4)
(5)
де К - стала інтегрування.
Отже, гармонічний сигнал (змінна напруга гармонічної форми) характеризується миттєвим значенням u(t), амплітудою 
, кутовою частотою w = 2pf та початковою фазою j (2). Крім того, важливими параметрами гармонічної напруги являється середньоквадратичне (діюче) значенням Uд та середньо-випрямлене значення Uсер. Миттєве значення u(t) можна визначити за ослило-грамою, середньо-квадратичне 
і амплітудне 
вирахувати або виміряти відповідним вольтметром.
Діюче (середньоквадратичне) значення синусоїдальної напруги
(6)
Зв'язок між діючим і амплітудним значеннями напруги довільної форми виражається залежністю 
, де 
– коефіцієнт амплітуди.
На практиці використовують також середньовипрямлене значення
, (7)
де 
– коефіцієнт форми.
Для синусоїдальної напруги kа = 
=1,41; =1,11. Якщо змінна напруга має форму, відмінну від синусоїдальної, то вона характеризується піковим значенням в додатній 
і від’ємній 
півхвилях (рис. 1, з), діючим, середньовипрямленим значеннями. В табл. 1 наведені приклади напруг різних форм і відповідні їм коефіцієнти 
і 
.
Електричні сигнали негармонічної форми можуть бути виміряні приладами різних систем. Так, прилади електромагнітної, електродинамічної і теплової систем реагують на діюче значення напруги або струму, магнітоелектричні прилади з випрямлячем – на середньовипрямлене значення, магнітоелектричні без випрямляча – на постійну складову, пікові електронні вольтметри – на максимальне значення функції. Умовне позначення вимірювальних приладів різних систем приводиться на лицевій стороні приладу, а принцип їх дії вивчається в курсі ТЕМК.
Таблиця 1
| № | Форма напруги | Часова діаграма | Коефіцієнти | |
| 
| |||
| 1. | Синусоїдальна | 
| 1,41 | 1,113 |
| 2. | Пульсуюча (на виході однопівперіодного випрямляча) | 
| 2 | 1,57 |
| 3. | Пульсуюча (на виході двопівперіодного випрямляча) | 
| 1,41 | 1,113 |
| 4. | Пилоподібна | 
| 1,73 | 1,156 |
| 5. | Трикутна (симетрична) | 
| 1,73 | 1,156 |
| 6 | Прямокутна (симетрична) | 
| 1,41 | 1,41 |
| 7. | Прямокутна (меандр) | 
| 1,0 | 1,0 |
| 8. | Прямокутна (послідовність однополярних імпульсів) | 
| 
|
|
Детерміновані періодичні сигнали.На практиці найчастіше використовують періодичні послідовності імпульсів прямокутної, трапецеїдальної, трикутної, пилоподібної, експоненціальної, дзвоноподібної форми (рис. 1, а-е). Тут зображені імпульси ідеальної форми, які слід розглядати як зразки імпульсів реальної форми.
Періодична послідовність імпульсів (рис. 1, а-е) характеризується періодом повторення (слідування) Т – відрізком часу між початком двох сусідніх однополярних імпульсів. Відношення тривалості імпульсу до періоду повторення називають коефіцієнтом заповнення, тобто
(8)
Коефіцієнт заповнення переважно знаходиться в межах від 0,5 до 1* 10-4. Малі значення коефіцієнта заповнення характерні для радіолокаційних пристроїв, найбільші – для пристроїв обчислювальної техніки.
Величина, обернена до коефіцієнта заповнення, називається щілинністю імпульсної послідовності, тобто
q= 1/g = Т/tі (9)
Періодична послідовність імпульсів характеризується також середнім значенням напруги, струму або потужності (постійною складовою), за якими оцінюють енергетичну дію імпульсного сигналу на навантаження.
Середнє значення напруги, струму і потужності імпульсного сигналу (рис. 1, а-е) за період при активному навантаженні отримуємо з рівняння
; 
, (10)
де 
- аналітичний вираз форми кривої напруги імпульсу; 
- відповідно середнє значення напруги, струму і потужності за час тривалості імпульсу. Так, для послідовності прямокутних імпульсів рис. 1, а одержуємо
(11)
Потужність джерела живлення пристрою формування імпульсів повинна бути не меншою за 
тобто 
. Тому, нагромаджуючи неперервно протягом паузи енергію, в навантаження можна віддавати потужність в імпульсі 
в q раз більше потужності джерела живлення (Рі= q Рдж).
Діюче (ефективне) значення напруги імпульсного сигналу за період визначається виразом (6). Для послідовності прямокутних імпульсів рис. 1, а
(12)
В табл. 2 приведені значення 
, в залежності від форми імпульсу. Тут 
– пікове (максимальне) значення потужності імпульсного сигналу в навантаженні Rн.
Таблиця 2
| № | Форма імпульсного сигналу | Uсер | Uд | Рсер = gРi |
| 1 | 
| 
| 
| 
|
| 2 | 
| 
| 
| 
|
| 3 | 
| 
| 
| 
|
| 4 | 
| 
|
|
|
| 5 | 
| gUm | 
| Pi =Pm |
Крім параметрів періодичної послідовності імпульсів важливе значення мають параметри форми імпульсів. Характерними ділянками реального прямокутного імпульсу, що визначають його форму, являються (рис. 3): передній фронт, вершина, задній фронт (зріз). У імпульсів різноманітної форми окремі ділянки можуть бути відсутніми. Кількісну оцінку форми імпульсів і властивостей його окремих ділянок розглянемо на прикладі реального імпульсу прямокутної форми.
Рис. 3. Основні параметри реального прямокутного імпульсу
Головними параметрами форми імпульсів являються: амплітуда або найбільша величина імпульсу 
, тривалість імпульсу 
, тривалість переднього фронту 
, тривалість заднього фронту (зрізу) 
, спад вершини імпульсу 
.
Для реальних імпульсів тривалість вимірюють на рівні 0,1 
або 0,5 , рахуючи від основи. В пристроях обчислювальної техніки тривалість імпульсів лежить в діапазоні (10-9…1)с. Інтервали часу, що відповідають тривалості переднього і заднього фронтів імпульсу, зазвичай відраховують між рівнями 0,1 …0,9 і 0,9 …0,1 . Це активні тривалості переднього і заднього фронтів імпульсу, які переважно становлять (5…20%) . Чим менше відношення 
/ і 
/ , тим ближче форма імпульсу до прямокутної. Постійність вершини імпульсу протягом його тривалості являється однією з важливіших вимог до формувачів і генераторів імпульсів. Однак, через недосконалість названих пристроїв спостерігається деякий спад вершини імпульсу 
. Часто замість абсолютного значення спаду використовують відносне, яке визначається відношенням d=( 
)*100%.
У деяких імпульсів (трикутних, експоненціальних та ін.) плоска вершина відсутня і в точці вершини фронт переходить одразу в зріз. Спад вершини імпульсу бажано мати якомога меншим. Часто вимагається, щоб d≤0,5%.
Завдання до розрахунку
3.1. Для заданої послідовності імпульсів (табл. 2) згідно індивідуального завдання розрахувати наступні параметри:
· частоту слідування – f;
· коефіцієнт заповнення – g;
· щілинність – q;
· середнє – Uсер, діюче – Uд значення напруги імпульсної послідовності;
· середню потужність Рсер імпульсного сигналу та потужність джерела живлення генератора імпульсів.
3.2. Для реального імпульсу, фронт якого апроксимується заданою аналітичною залежністю, визначити активну тривалість переднього фронту .
3.3. Для напруги заданої форми та амплітуди (табл. 1) згідно індивідуального завдання розрахувати середньовипрямлене і діюче значення напруги та вказати, яке з цих значень покаже вимірювальний прилад заданої системи.
ПРИКЛАД РОЗРАХУНКУ
Задано:
Завдання 1. Послідовність імпульсів (рис. 4) Т = 1 мс, ti=20 мкс, Рі = 6 Вт,
Rн = 6 Ом.
Рис. 4. Послідовність прямокутних імпульсів
Завдання 2. Апроксимація переднього фронту реального імпульсу – експоненціальна; постійна часу експоненти – t = 10 мкс.
Завдання 3. Вимірювана напруга – прямокутний меандр (табл. 1, рис. 7) Um = 10 В. Вимірювальні прилади – магнітоелектрична система з випрямлячем і без випрямляча.
Визначити:
Завдання 1. f, g, q, Uсер , Uд , Рсер , Рдж.
Завдання 2. .
Завдання 3. Uсер, Uд, покази вольтметрів заданої вимірювальної системи.
1. Частота слідування імпульсів
f = 1/T = 1/10-3 = 103 Гц = 1 кГц.
Коефіцієнт заповнення
= 20×10-6 /10-3 = 20×10-3 = 0,02.
Щілинність імпульсів
q=1/g = 1/0,02 = 50.
З табл. 2 для заданої послідовності імпульсів знаходимо Pm.= Pi.
Так як , визначаємо максимальне (пікове) значення напруги 
.
Середнє значення напруги за період при активному навантаженні для заданої імпульсної послідовності
Uсер = gUm = 0,02×6 = 0,12 В.
Діюче значення напруги заданого імпульсного сигналу за період
Uд = = 
;
Середнє значення потужності заданого імпульсного сигналу за період при активному навантаженні
Рсер = gРi = 0,02×6 = 0,12 Вт.
Потужність джерела живлення пристрою формування імпульсів повинна бути не меншою за тобто ³ 0,12 Вт.
2. Передній фронт реального прямокутного імпульсу, апроксимований експоненціальною залежністю, показано на рис. 5.
Рис. 5. Передній фронт реального прямокутного імпульсу
Експоненціально наростаючий фронт описується залежністю
(13)
Для моменту часу t1 (рівень 0,1 Um) одержимо
Після елементарних перетворень знайдемо
t1 » 0,1 t.
Аналогічно розрахуємо момент часу t2 (рівень 0,9Um)
t2 » 2,3 t.
Тривалість переднього фронту
= t2 - t1 = 2,3 t – 0,1 t = 2,2 t = 2,2×10×10-6 = 22 мкс.
3. Часова діаграма (осцилограма) вимірюваної напруги показана на рис. 6.
Рис. 6. Осцилограма вимірюваної напруги
З табл. 1 знаходимо k a=k ф = 1. Тоді, = Um = 10 В;
Вольтметр магнітоелектричної системи з випрямлячем покаже середньовипрямлене значення даної напруги, тобто 10В. Вольтметр магнітоелектричної системи без випрямляча реагує на постійну складову напруги, яка в даному випадку дорівнює нулеві.
ЗМІСТ Звіту до практичної роботи
Практична робота оформляється у зошиті з практичних робіт. Звіт повиненмістити:
1. Назву і мету роботи.
2. Завдання до розрахунку згідно варіанту ( п. 6 ).
3. Осцилограми послідовності імпульсів та напруг.
4. Результати розрахунків.
5. Короткий аналіз і висновки по результатах розрахунків.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 157; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!