Материал: Системы передачи и обработки данных. курс лекций. Никитин Л.Н

В таком случае напряжение на неинвертирующем входе OU1 в операторной форме будет иметь вид: U_i'(p) = U_i(p)pRC/(1 + pRC). Это напряжение передается на выход OU1 с коэффициентом передачи 1 + R₂/R₁ = 2. Напряжение U_i(p) передается на выход того же усилителя с коэффициентом передачи R₂/R₁ = 1, причем с инвертированием сигнала.

Следовательно, выходное напряжение OU1 Uof(p) = 2U_i'(p) - U_i(p) = = Ui(p)(pRC - 1)/(pRC +1), и коэффициент передачи равен

К(р) = (pRC - 1)/(pRC+1). (11.2.6)

Вводя замену р =jω, из (6) после преобразований нетрудно определить, что фазовый угол будет определяться выражением

Ф = 2arctg (ωRС). (11.2.7)

Из выражения (7) видно, что по сравнению с обычной RC-цепью рассматриваемый фазовращатель обеспечивает возможность получения фазового сдвига в диапазоне от 0 до 180°. Сопротивление R (сопротивление полевого транзистора) может изменяться под действием модулирующего сигнала. Схема для исследования зависимости сопротивления полевого транзистора от входного напряжения представлена на рис. 11.2.6.

Рис. 11.2.6. Схема исследования сопротивления полевого транзистора

Поскольку в выражении (11.2.7) сопротивление R изменяется под действием модулирующего сигнала, выражение (11.2.7) отражает факт фазовой модуляции, что и потверждается осциллографическими измерениями, представленными на рис. 11.2.7.

Рис. 11.2.7. Результаты испытаний фазового модулятора

Фазовый сдвиг при этом определяется по максимальному временному сдвигу колебаний на входе и выходе модулятора в соответствии с формулой

Ф = [(Т2 - Т1)/Т]·360^о,

где Т – период несущей.

2. Демодулятор (амплитудный или частотный детектор) - это устройство, выходное напряжение которого является функцией амплитуды или частоты входного сигнала.

Основной характеристикой демодулятора является его передаточная характеристика, которая показывает зависимость постоянного выходного напряжения U₀ от амплитуды или частоты входного сигнала F_i. Чувствительность частотного детектора определяется крутизной его характеристики S = ∆U₀/∆F_i, где ∆U₀, ∆F_i — приращения выходного напряжения и частоты входного сигнала.

Принцип работы большинства частотных детекторов ЧД основан на преобразовании частотно-модулированного напряжения в амплитудночастотномодулированное с последующим амплитудным детектированием. В качестве преобразователя частотно-модулированного напряжения в амплитудно-частотно-модулированное используется любая линейная система, коэффициент передачи которой зависит от частоты. Поскольку выходное напряжение таких детекторов зависит не только от частоты, но и от амплитуды входного напряжения, их иногда называют также частотноамплитудными детекторами.

Наиболее простой схемой амплитудного детектора АД является схема, изображенная на рис. 11.2.8, с полупроводниковым диодом D и фильтром на элементах R1 и С. Входным сигналом служит сигнал с источника амплитудно-модулированных колебаний АM, нагрузка имитируется резистором R2. Осциллограмма выходного сигнала, полученного на нагрузке R2, представлена на рис. 11.2.9.

Рис. 11.2.8. Схема амплитудного детектора

Рис. 11.2.9. Выходной сигнал АД

Наиболее простой схемой ЧД является схема с одиночным контуром, представленная на рис. 11.2.10.

Схема содержит параллельный колебательный контур на элементах L и С1, на вход которого входной сигнал подается от источника частотномодулированных колебаний FM (режим детектирования). Сигнал с выхода колебательного контура измеряется осциллографом и подается на вход амплитудного детектора, формирующего модулирующее (низкочастотное) колебание, которое также можно наблюдать на экране (рис. 11.1) осциллографа по каналу В.

Рис. 11.2.10. Схема модели частотного детектора

Как видно из осциллограммы, сравнительно большие нелинейные искажения являются недостатком рассмотренного детектора: коэффициент второй гармоники для этого детектора равен около 19 %, а третьей — 3,6 %. Для уменьшения нелинейных искажений можно увеличивать затухание контура, однако это приводит к сущее ственному уменьшению крутизны характеристики детектора, т. е. к уменьшению напряжения на его выходе. Более высокими показателями по нелинейным искажениям обладают балансный детектор с двумя взаимно расстроенными контурами и детектор со связанными контурами, а также так называемый дробный детектор, который отличается от первых двух схемой построения выпрямительной части, обеспечивающей минимальную зависимость выходного сигнала от изменений амплитуды входного.

Рис. 11.2.11. Выходной сигнал частотного детектора

Порядок выполнения работы

1. В программе Electronics Workbench (EWB 5.12) собрать схему модели амплитудного модулятора (АМ), изображенную на рис. 11.2.11.

Получить осциллограммы выходного сигнала для значений несущей частоты 10 и 50 кГц. По осциллограммам определить необходимые для расчета М значения VB2 - VB1, VB2. С помощью вольтметра или осциллографа определить амплитуду несущей частоты E_m. При этом для исключения воздействия модулирующего сигнала достаточно сделать его пренебрежимо малым – например, вместо 1 В устанавливается 1 мкВ.

Зафиксировать результаты экспериментов.

2. Открыть в Electronics Workbench файл CIRCUITS\A-I-mod.ewb со схемой, изображенной на рис. 11.2.3, а.

Получить осциллограммы выходного сигнала для значений несущей частоты 1 и 5 кГц.

Зафиксировать результаты экспериментов.

3. Открыть в Electronics Workbench файл CIRCUITS\F-mod.ewb со схемой, изображенной на рис. 11.2.5, а.

Получить и зафиксировать осциллограммы выходного сигнала.

Используя схему на рис. 11.2.6 (файл EWB 5.12 CIRCUITS\PoL_VT.ewb), исследовать методом амперметра - вольтметра зависимость сопротивления полевого транзистора типа Motorola J300 от напряжения источника в диапазоне 1…5 В. С этой целью для каждого из значений напряжения источника, используя показания амперметра и вольтметра, по закону Ома определять соответствующую величину сопротивления. Результаты оформить в виде таблицы данных.

4. Открыть в Electronics Workbench файл CIRCUITS\amdetect.ewb со схемой амплитудного детектора, изображенной на рис. 11.2.8.

Получить осциллограммы выходного сигнала для двух-трех значений коэффициента фильтрации.

Зафиксировать результаты экспериментов.

5. Открыть в Electronics Workbench файл CIRCUITS\Fmod1-det.ewb со схемой частотного детектора, изображенной на рис. 11.2.2.

С помощью ключа Z подключить вход детектора к выходу функционального генератора. Снять АЧХ колебательной части детектора с помощью измерителя (Bode Plotter). Для выбранной рабочей точки на наиболее крутом скате характеристики с помощью визирной линии определить частоту колебаний, которую использовать для настройки источника частотномодулированных колебаний.

Получить осциллограммы выходного сигнала для двух значений частоты модулированных колебаний.

Зафиксировать результаты экспериментов.

Расчеты и построения

1. Для указанных на рис. 11.1.2 средних значений параметров рассчитать значения М и Еm амплитудного модулятора, используя выражение (11.2.1).

Проверить результаты проведенного моделирования сравнением расчетных значений М и Еm с полученными из осциллограмм.

2. Рассчитать по формуле (11.2.3) выходное напряжение U₀ А-И модулятора (т. В на схеме рис. 11.2.3, а) для одной из несущих частот, сравнить его с полученным в результате измерений.

3. На основании таблицы данных, полученных при исследовании зависимости сопротивления полевого транзистора фазового модулятора от входного напряжения, по формуле (11.2.7) рассчитать фазовый угол Ф для двух-трех значений сопротивления R и сравнить полученные результаты с результатами моделирования. Для этого необходимо в схеме на рис.11.2.5, а функциональный генератор заменить на источник постоянного напряжения U, используемый в схеме на рис. 11.2.6, и при снятии экспериментальных данных для каждого значения R устанавливать соответствующее ему напряжение источника.

4. На основанииданных, полученных при экспериментальном исследовании амплитудного и частотного детекторов, определить коэффициент передачи как отношение амплитуды напряжения на выходе детектора к амплитуде изменяемого входного параметра.

Контрольные вопросы

1. Какие виды модуляции существуют?

2. В чем заключается процесс модулирования частотного сигнала по амплитуде?

3. Какая из частот – модулирующая или несущая – имеет большее значение?

4. Из каких соображений в схеме модели импульсного модулятора выбираются коэффициенты К_m, К_n, К_f?

5. Как формулируется положение, являющееся основным в теории угловой модуляции?

6. В чем заключается различие между фазовой и частотной модуляциями?

7. Как можно измерить сопротивление полевого транзистора, используемого в схеме фазового модулятора?

8. В чем преимущество фазовращателя на полевом транзисторе по отношению к обычной RС-цепи?

9. В каких устройствах используются амплитудные и частотные детекторы?

10. Какой основной алгоритм преобразования сигналов используется при построении амплитудных и частотных детекторов?

11. Для какой цели в схему частотного детектора включен колебательный контур?

11.3. Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ЛОГИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Логические схемы, реализующие однозначное соответствие между значениями входных и выходных сигналов, называют комбинационными схемами. В вычислительных сетях и информационно-вычислительной технике такие схемы используются в качестве коммутаторов распределителей информационных сигналов и синхросигналов, для демультиплексирования адресной логики и дешифрирования данных.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕШИФРАТОРОВ

Цель работы: ознакомление с устройством и работой шифраторов и мультиплексоров информационных сигналов. Получение навыков моделирования и экспериментального исследования этих устройств.

Аппаратура: компьютер, принтер.

Программное обеспечение: ОС MS Windows, программа Electronics Workbench.

Общие сведения

Дешифраторы - это комбинационные схемы с n входами и т = 2ⁿ выходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из т выходов, однозначно соответствует комбинации входных сигналов. Обычно входы управления используются для каскадирования (увеличения разрядности) дешифраторов или при параллельной работе нескольких схем на общие выходные линии.

Дешифратор может быть использован и как демультиплексор — логический коммутатор, подключающий входной сигнал к одному из выходов. В этом случае функцию информационного входа выполняет один из входов разрешения, а состояние входов С, В и А задает номер выхода, на который передается сигнал со входа разрешения.

Дешифраторы широко используются в ЭВМ для выбора информации по определенному адресу, для расшифровки кода операции и др.

Шифратор решает задачу, обратную схемам дешифраторов, т. е. по номеру входного сигнала формирует однозначную комбинацию выходных сигналов.

Порядок проведения эксперимента

Откройте файл с13_01 со схемой, изображенной на рисунке 11.3.1. Включите схему. Подайте на вход G уровень логической единицы. Для этого клавишей G ключ G установить в верхнее положение. Определите и запишите уровни сигналов на выходах Y0...Y7 в таблицу истинности при G = 1 (табл. 1 в разд. "Результаты эксперимента").

Рис. 11.3.1. Схема для исследования дешифратора

Подайте на вход G уровень логического нуля (ключ G установите в нижнее положение). Убедитесь, что дешифратор перешел в рабочий режим и на одном из выходов установился уровень логического нуля.

Подавая все возможные комбинации уровней логических сигналов на входы А, В, С с помощью одноименных ключей и определяя с помощью логических пробников уровни логических сигналов на выходе схемы, заполните таблицу истинности дешифратора при G = 0 (табл. 11.3.1 в разделе "Результаты эксперимента").

Результаты эксперимента

Таблица 11.3.1

Примечание - Для простоты заполнения таблицы истинности в ней можно отмечать только выводы с низким уровнем сигнала.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ

Цель работы: ознакомление с принципом работы мультиплексора. Реализация и исследование функциональных модулей на основе мультиплексоров.

Аппаратура: компьютер, принтер.

Программное обеспечение: ОС MS Windows, программа Electronics Workbench.

Общие сведения

Мультиплексор – это комбинационная логическая схема, представляющая собой управляемый переключатель, который подключает к выходу один из информационных входов данных. Номер подключаемого входа равен числу (адресу), определяемому комбинацией логических уровней на входах управления. Кроме информационных и управляющих входов, схемы мультиплексоров содержат вход разрешения, при подаче на который активного уровня мультиплексор переходит в активное состояние. При подаче на вход разрешения пассивного уровня мультиплексор перейдет в пассивное состояние, для которого сигнал на выходе сохраняет постоянное значение независимо от значений информационных и управляющих сигналов. Число информационных входов у мультиплексоров обычно 2, 4, 8 или 16.

На мультиплексоре можно реализовать логические функции, для чего нужно определить, какие сигналы и логические константы следует подавать на входы мультиплексора. В микропроцессорных системах управления мультиплексоры устанавливают на удаленных объектах для возможности передачи информации по одной линии связи от нескольких установленных на них датчиков.

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование мультиплексора

А. Откройте файл с13_06 со схемой, изображенной на рис. 11.3.2.

Рис. 11.3.2. Схема для исследования мультиплексора

Включите схему. С помощью ключа G установите на входе G' мультиплексора уровень логического нуля. Поочередно подавая все возможные комбинации логических уровней при помощи ключей А, В, С на соответствующие входы мультиплексора, для каждой комбинации с помощью логических пробников определите, переключение какого из ключей в левой части схемы изменяет состояние выходов мультиплексора. Обозначение соответствующего входа мультиплексора запишите в табл. 11.3.2 в разд. "Результаты экспериментов", указав при этом, как передается входной сигнал на выходы мультиплексора (напрямую или с инверсией). Например, если переключение ключа 4 изменяет состояние выходов мультиплексора, в таблице в строке с соответствующей комбинацией уровней сигналов на входах А, В, С следует записать для выхода Y - D4, для выхода W – D4.

Б. Установите при помощи ключа G уровень логической единицы на входе G микросхемы. В раздел "Результаты экспериментов" запишите обозначения выводов, которые при переключении соответствующих ключей в левой части схемы не влияют на состояние выходов микросхемы.

Эксперимент 2. Реализация заданной функции с помощью мультиплексора А. Для заданной функции

F1= C В A ∨B A∨C В (11.3.1)

определите ее значение (1,0) для каждой комбинации значений аргументов и заполните графу F1pacч в разд. "Результаты экспериментов". Откройте в программе EWB 5.12 файл с13_08 со схемой, изображенной на рис. 11.3.3.

Рис. 11.3.3. Схема определения реализуемой функции с помощью ключей