Презентация на тему Генераторы электрических сигналов

пилообразного напряжения (ГЛИН);
генераторы сигналов на логических элементах;
Модемы. Виды

и назначение модуляции.

Тема 4

питания постоянного тока в энергию переменного сигнала.

В основном генераторы подразделяются на три категории:
Генераторы синусоидальных импульсов;
Генераторы прямоугольных импульсов;
Генераторы сигналов другой формы.

времязадающий конденсатор С заряжен отрицательно и транзистор ТR1 закрыт.

Затес конденсатор с заряжается через времязадающий резистор R, и напряжение на базе начинает возрастать до значения VCC.

и ток начинает течь через первичную обмотку трансформатора. Он

соединен с базой транзистора, что приводит к возрастанию тока. Возникает регенеративный процесс, и через конденсатор С протекает возросший ток базы, напряжение в точке соединения резистора, конденсатора и первичной обмотки быстро становиться отрицательным, и транзистор запирается. После чего цикл повторяется снова.
Выходной сигнал состоит из коротких отрицательных импульсов, длительность которых определяется транзистором и трансформатором. Импульсы повторяются через одинаковые интервал времени, продолжительность которых определяется RC – цепочкой.

собой двухкаскадный электронный усилитель с резисторно-емкостной связью, охваченный положительной

обратной связью. Принцип работы которого состоит в разрядке конденсатора через резистор. Этот тип генератора отличается от других тем, что он одновременно генерирует множество синусоидальных колебаний. С этим связано и его название от латинских слов, multum — много, vibro — колеблю.

Мультивибратор

частотой и амплитудой. Мультивибратор дает сигнал очень сложной формы,

обычно похожий на прямоугольник. Частота колебаний мультивибратора зависит от величин емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, входящих в цепи обратной связи.

поступает отрицательный фронт сигнала, транзистор TR1 запирается на промежуток

времени, необходимый для того, чтобы на базе снова установилось напряжение О В.
Если абсолютные значения перепада напряжения и напряжения питания совпадают, время, в течение которого транзистор TR1 будет заперт, можно определить по формуле:

В течение периода Т1 на выходе схемы будет положительный
импульс.

Формирование выходных импульсов мультивибратора:

RC-цепочку R2/С2, как показано на рисунке, и снова подадим

отрицательный перепад на конденсатор С1. Транзистор ТR1 снова будет закрыт в течение периода T1, но по окончании этого периода отрицательный фронт поступит на транзистор TR2, который также закроется на период времени, равный

С1, как показано на рисунке, то, когда транзистор ТR2

откроется, отрицательный фронт снова закроет транзистор ТR1, таким образом, цикл будет повторяться. Схема будет генерировать симметричные колебания прямоугольной формы, формируемые двумя транзисторами. На практике эта схема обычно изображается так, как показано на втором рисунке.

способе их запуска (здесь стоит сказать, что иногда мультивибраторы

не запускаются). Обычно мультивибратор запускается благодаря различию коэффициентов усиления транзисторов в первый момент после включения схемы. В случае, когда мультивибратор не запускается, оба транзистора открыты, а ток базы течет через резисторы в цепи базы. Этого можно избежать, если специально установить асимметричную форму колебаний, задав различные значения периодов Т1 и Т2.
Из-за простоты схемы мультивибратор имеет множество недостатков. Основная проблема такой схемы заключена в неудовлетворительном положительном фронте. Для устранения этого недостатка к резисторам в цепи коллектора в качестве нагрузки подключаются времязадающие конденсаторы, которые придают колебаниям ярко выраженную экспоненциальную форму.

транзисторов устанавливаются отрицательные напряжения, равные по величине напряжению питания.

Максимальное обратное напряжение Vbe для большинства транзисторов составляет приблизительно 5 В, следовательно, напряжение питания простой схемы может быть не более 5 В. В реальных схемах можно использовать и более высокие величины напряжений питания, но в этом случае переход эмиттер—база транзистора будет работать как стабилитрон, благодаря чему напряжение на базе будет ограничиваться значением около -6 В. Это не причинит вреда транзистору, но приведет к тому, что значение рабочей частоты будет сильно отличаться от расчетного.

резонансные свойства индуктивно – емкостных цепочек или пьезоэлектрические свойства

кристалла кварца, а искусственный сдвиг фазы сигнала получают, используя RC-цепочки. Эти методы позволяют создавать генераторы сигналов синусоидальной форы с частотой от 0,1 Гц до свыше 400МГц.

генератора синусоидальных сигналов должно выполняться условие возникновение автоколебаний. Система

должна находится на границе устойчивости. Если система будет неустойчивой, то амплитуда будет непрерывно возрастать.

Рисунок. АФХ поясняющая работу генератора синусоидальных сигналов

значит, что система находится на границе устойчивости.
Условие баланса

амплитуд и фаз:

обеспечения положительной обратной связи. Диоды VD1, VD2 предназначены для

ограничения насыщения ОУ(ограничения по амплитуде).

Рис. Схема генератора синусоидальных колебаний
на основе моста Вина

изменяющееся напряжение (ЛИН) –
это напряжение,

которое в течение промежутка времени, называемого рабочим ходом, изменяется по линейному закону, а затем в течение промежутка времени, называемого обратным ходом, возвращается к исходному уровню. Устройства, предназначенные для формиро-
вания ЛИН- это генераторы ЛИН (ГЛИН). Их часто называют генераторами пилообразного напряжения.

– время рабочего хода
То – время обратного хода
ε –коэффициент

нелинейности

Здесь U‘(0)-скорость изменения ЛИН в начале рабочего хода
U‘(Тр)- скорость изменения ЛИН в конце рабочего хода

медленном заряде (или разряде) конденсатора через большое сопротивление во

время прямого хода и в быстром его разряде (или заряде) через малое сопротивление во время обратного хода.

Основой ГЛИН является емкость , через которую от источника тока (ИТ) протекает постоянный ток, благодаря чему при разомкнутом ключевом устройстве (К) напряжение на емкости изменяется по линейному закону.
При замыкании К емкость разряжается через сопротивление К

получения ЛИН нужен
внешний импульс напряжения)

автоколебательном режиме (ЛИН формируется регулярно)

связью (ОС)

является основой этого вида ГЛИН

[0,t1]:

Значит, на начальном участке
экспоненты скорость изменения
напряжения примерно

постоянна
и при малых значениях t
формируется ЛИН

RC -цепочкой может
быть реализован на основе транзисторного

ключа.
D(Eф)-диодный огра-ничитель ( используется для предотвращения
пробоя транзистора )

режиме насыщения.
В момент времени t1 транзистор входит в режим

отсечки: емкость заряжается от источника через сопротивление Rk.
В момент времени t2 транзистор опятьвходит в режим насыщения: емкость через малое сопротивление промежутка коллектор-эмиттер разряжается

нелинейности необходимо, чтобы напряжение генератора U было гораздо (на

порядок и более) больше амплитуды ЛИН

двухполюсник обеспечивает протекание через ГЛИН постоянного тока независимо от

приложенного напряжения. Через двухполюсник R и емкость С протекает ток iR:

Ir

от U2 до U1
коллекторный ток тоже стремится

уменьшиться. При этом:

→ растет→

Растет

ВЫВОД: ток коллектора менее уменьшится
в сравнение со случаем, когда ток базы не
меняется.

iб

даже при значительном
уменьшении напряжения Uэк
коллекторный ток транзистора
уменьшается незначительно.
При этом рабочая точка
смещается из А в С.

интегрирующей RC – цепочкой,
но теперь вместо сопротивления
Rк используется
токостабилизирующий
двухполюсник.

При подключении к выходу (к емкости

С) сопротивления нагрузки искажается линейность выходного напряжения.

Избежать этого можно,
реализовав ГЛИН так
→

повторяет напряжение на емкости
при размыкании ключа и заряде
этой емкости

от источника.
Поскольку включено встречно
к напряжению на С , то напряжение,
приложенное к R постоянно.
Следовательно, ток, проходящий
через С и R , также постоянен.

= K*Uc = Uc (K=1)
UR = IR*R
IR =

(E + Uвых – Uc)/R
IR = E/R=const
Так как ток через емкость постоянен, то напряжение на выходе меняется линейно.

При подключении к выходу (к емкости

С) сопротивления нагрузки искажается линейность выходного напряжения.

Избежать этого можно,
реализовав ГЛИН так

повторяет напряжение на емкости
при размыкании ключа и заряде
этой емкости

от источника.
Поскольку включено встречно
к напряжению на С , то напряжение,
приложенное к R постоянно.
Следовательно, ток, проходящий
через С и R , также постоянен.

Uk

= K*Uc = Uc (K=1)
UR = IR*R
IR =

(E + Uвых – Uc)/R
IR = E/R=const
Так как ток через емкость постоянен, то напряжение на выходе меняется линейно.

обеспечения постоянства
тока нужно, чтобы за время
формирования прямого хода
напряжение

на емкости Со
сохранялось постоянным,
поэтому величину емкости Со
выбирают как можно большей.

времени t1ключ К размыкается и осуществляется
прямой ход.

В момент

времени t2 ключ
замыкается, емкость С
разряжается и на выходе
устанавливается нулевое
напряжение.

Когда компьютер используется для обмена информацией

по телефонной сети, необходимо устройство, которое может принять сигнал из телефонной сети и преобразовать его в цифровую информацию. На выходе этого устройства информация подвергается модуляции, а на входе демодуляции, отсюда и название МОДЕМ.

Модемы

звеном между компьютером и соединительной линией. Название модема происходит

от двух слов: "Модулятор" и "Демодулятор". Как модулятор модем преобразует цифровые сигналы импульсов постоянного тока, используемые в компьютерных системах, в аналоговые сигналы, содержащие ту же информацию. Этот процесс и называется модуляцией
Модуляция и модемы необходимы потому, что сигналы телефонного канала связи не всегда представимы в цифровой форме. Процесс модуляции формирует аналоговые сигналы, в которых закодирована цифровая информация, порожденная компьютером, но которые можно передать через телефонные каналы
Демодуляция представляет собой обратный процесс. Если посмотреть на образуемый сигнал с другой стороны - модем, как модулятор, получает аналоговые сигналы и преобразует их в начальную цифровую форму, содержащую переданную информацию
Естественно, что для нормальной деятельности, работающие в паре модемы должны осуществлять операции модуляции/демодуляции одинаковым образом, иначе информация, передаваемая между ними, будет необратимо искажена .

Основные понятия:

собой наложение одного сигнала на другой. Модем, как модулятор,

начинает функционировать, генерируя постоянный сигнал, называемый несущей частотой , потому что с его помощью осуществляется передача информации. В большинстве систем несущая частота - это устойчивый сигнал постоянной амплитуды, фазы и частоты
Информационный сигнал. Сигнал, который электрически смешивается с несущей частотой, моделируя ее по некоторому закону, называется информационным . Изменение информационного сигнала приводит к изменению несущего и выходного сигнала. Изменение информационного сигнала порождает соответствующее изменение несущей частоты, но не обязательно в том же аспекте. Например, при частотной модуляции с увеличением информационного сигнала изменяется частота несущего сигнала.
Модуляция представляет несколько преимуществ, которые перевешивают недостатки сложности наложения двух сигналов. Так как электронные цепи могут быть настроены на обработку одной несущей частоты и отражение всех других, мультиплицированные модулированные сигналы могут посылаться через один канал связи. Этот принцип заложен во всех радиовещательных станциях и в средствах радиосвязи. Помимо того, модуляция позволяет цифровой информации в форме постоянного тока быть переданной такими средствами, как телефонные системы, которые не могут обрабатывать сигналы постоянного тока.

представляется в своей первоначальной форме. И хотя логически этот

процесс напоминает модуляцию, демодуляция обычно реализуется на базе совершенно других цепей и принципов, что вносит дополнительные сложности
Последовательная передача данных означает, что данные передаются по единственной линии. При этом биты байта данных передаются по очереди с использованием одного провода. Для синхронизации группе битов данных обычно предшествует специальный стартовый бит, после группы битов следуют бит проверки на четность и один или два стоповых бита. Иногда бит проверки на четность может отсутствовать
Форматы передачи данных определяют использование бита четности, стартовых и стоповых битов. Очевидно, что передатчик и приемник должны использовать один и тот же формат данных, иначе обмен не возможен
Верхние и нижние границы. В наипростейших модулирующих системах выходной частоте требуется двойная полоса модулируемого сигнала. Хотя это в два раза увеличивает искажение, его прямым результатом является комбинирование выходного сигнала. Несущая частота и информационный сигнал накладываются друг на друга в результате процесса модуляции согласно частоте модуляции, и оба прибавляются к несущей частоте с частотой модуляции и вычитаются из нее. В результате сложения получают величину часто называемую верхней границей , а в результате вычитания - нижнюю границу.

из компьютера ( сочетание нулей и единиц ), электрическим

сигналом с частотой, соответствующей рабочему диапазону телефонной линии. Акустический канал этой линии модем разделяет на полосы низкой и высокой частоты.
Полоса низкой частоты применяется для передачи данных, а полоса высокой частоты – для приема.
Используется много способов кодировки информации, наиболее известными из которых являются метод FSK ( Frequency Shift Keying ) для скорости передачи до 300 бод ( бод - единица скорости передачи информации, равная 1 бит/с ) и метод PSK ( Phase Shift Keying ) для более быстpых модемов, скоpостью передачи до 2400 бод.

сигнал частотой 1070 Гц интеpпpетиpуется как логический нуль, а

сигнал частотой 1270 Гц - как логическая единица. При приеме нуль соответствует сигналу 2025 Гц, а единица - 2225 Гц.
PSK использует две частоты: для передачи данных - 2400 Гц, для приема - 1200 Гц. Данные передаются по два бита, при этом кодировка осуществляется посредством сдвига фазы сигнала. Используются следующие сдвиги фазы для кодировки: 0 градусов для сочетания битов 00, 90 градусов для 01, 180 градусов для 10, 270 градусов для 11. Существуют также и другие виды модуляции (DPSK, QAM, TCM).

одним выходом подсоединяется к телефонной линии, а другим к

стандартному COM-поpту компьютера ( разъем RS232 по рекомендациям CCITT V.24 ), либо в виде обыкновенной печатной платы, которая устанавливается на общую шину компьютеpа. Внутренние варианты модемов могут быть пpиспособленны как к обычной ISA, так и к PCI шинам.
Контpоллеp модема - это, как пpавило, специализиpованный микpокомпьютеp типа SC1107 или SC1108, содеpжащий восьмиpазpядное АЛУ, ПЗУ в 8 Кбайт, ОЗУ 128 байт, таймер, командный pегистp, контpоллеp пpеpываний, стек, поpт ввода/вывода.
Если плата модема присоединена к системной шине ПК, то применяется "параллельный" контpоллеp SC1107. Если же плата работает с компьютером посредством RS232, то используется "последовательный" контpоллеp SC1108. В некоторых констpукциях pоль контpоллеpа выполняет пpоцессоp 8031 с внешним ПЗУ (i2732,2764) и микросхемой 74LS373.

ТЧ (ШК) перенос спектра сигналов в область полосы частот

канала ТЧ осуществляется с помощью модуляции.
Процесс преобразования дискретного сообщения в модулированный сигнал иллюстрируется рисунке.

В современных УПС используются самостоятельно или комбинированно все три основных вида модуляции:
амплитудная модуляция - AM;
частотная модуляция  - ЧМ;
фазовая модуляция    - ФМ.

нескольких параметров несущего колебания (переносчика) u(t) под воздействием первичного

сигнала данных  A(t) . Чаще всего в качестве переносчика используется гармоническое колебание

, где u0, - амплитуда,

 и

 - несущая частота,

- начальная фаза (параметры несущего колебания).

Рассмотрим методы модуляции, основанные на изменении одного из параметров несущего колебания.

несущего колебания. Единичные элементы, соответствующие символам 1 и 0,

преобразовываются в вид:

что показано на рисунке. При u2(t)=0 сигнал называется с пас­сивной паузой. Возможен вариант сигнала и с активной паузой, когда u2(t) отличается от u1(t)  значением амплитуды.

Последовательность данных  через фильтр первичного сигнала ФПС поступает на

модулятор (перемножитель), на второй вход которого подается несущее колебание от генератора Г. Фильтр передачи Фпер. ограничивает полосу частот передаваемого модулированного сигнала.
В демодуляторе выделение первичного сигнала производится детектором Д с помощью устройства синхронизации УС и фильтра нижних частот ФНЧ. Детектирование принимаемого сигнала может быть когерентное (синхронное) и некогерентное. Когерентный детектор более эффективен по помехозащищенности ( он изображен на рисунке).

Отметим, что на рисунке представлена одна из множества возможных схем реализации модема с АУ.

спектр амплитуд амплитудно-модулированного сигнала  представлены на рисунке.
Спектр SAM(f)  состоит

из частоты несущего колебания f0 двух боковых полос соответствующих. SA(f) Остальные составляющие подавляются фильтром Ф пер. Таким образом, рассматриваемая схема модема обеспечивает передачу с двумя боковыми полосами (ДБП) частот, что позволяет получить предельную скорость передачи.

Соответственно, максимальная удельная скорость передачи
равна 1 бит/с Гц.

полое несет одну и ту же информацию. Поэтому с

помощью фильтра передачи Фпер можно полностью подавить вто­рую боковую полосу и получить однополосную модуляцию (ОБП), либо частично подавить вторую боковую полосу и получить AM с частично подавленной боковой полосой (ЧПВП).
Достоинство амплитудной модуляции - простота реализации.
Недостатком является то, что влияние помех и изменение уровней передачи в канале ТЧ приводят к существенным искажениям амплитуды (значащей позиции) сигнала, следовательно, к снижению помехозащищенности. Поэтому в УПС самостоятельно AM не применяется.

гармонического сигнала соответственно значащей позиции сигнала данных. Единичные элементы,

соответствующие символам данных 1 и 0, представляются в виде

Разность 

называют девиацией частоты, отношение

индексом модуляции, а f1 и f2 характеристическими частотами. Спектр ЧМ сигнала занимает значительно боль­шую полосу частот, чем при ДМ (естественно при одинаковой скорости передачи).

по амплитуде, так и по частоте. Длительность установления частоты

от

до

зависит от отношения

где

- необходимая полоса частот, устанавливаемая для передачи двоичного ЧМ сигнала. Компромисс между допустимыми искажениями и необходимой полосой частот достигается при значениях

Таким образом, необходимая полоса частот 

 ЧМ сигнала с допустимыми искажениями определяется выражением:

для передачи двоичного

частота которого может изменяться без скачков фазы и со

скачками фазы. Реализация ЧМ без разрыва фазы осуществляется непосредственным воздействием первичного сигнала А(t) на частоту генератора несущего колебания. ЧМ с разрывом фазы получается использованием независимых генераторов, настроенных на требуемые частоты, и спектр амплитуд модулированного сигнала занимает более широкую полосу частот, чем при формировании без разрыва фазы.
Демодуляция ЧМ сигналов может осуществляться когерентным и некогерентным методом. Последний широко используется при передаче данных с низкой удельной скоростью. Общим принципом демодуляции является частотное детектирование (ЧД) с помощью дискриминаторов, которые преобразуют изменение частоты в изменение амплитуды.
Так как изменяемым параметром сигнала является частота, то для уменьшения влияния помех применяют ограничители амплитуд Огр, что существенно повышает помехозащищенность ЧМ по сравнению с АМ. На рисунке представлена структурная схема модема с ЧМ.

Подавление побочных продуктов модуляции на передаче и помех на

приеме производят соответственно фильтры передачи Ф пер и приема Ф пр. Ограничитель Огр снижает амплитудные искажения. Дискриминатор Д преобразует изменения частоты сигнала в изменение амплитуды. Фильтр нижних частот ФНЧ подавляет составляющие преобразованного сигнала частотами  и др. Решение о принимаемом сигнале принимается решающим устройством РУ.
Модемы с ЧМ благодаря несложной технической реализации и сравнительно высокой помехозащищенности рекомендованы МККТТ для передачи данных по стандартным каналам ТЧ со скоростью до 1200 бит/с.
Частотной модуляции присущ недостаток - высокая чувствительность к изменению частоты сигнала при передаче по каналу ТЧ

фазы гармонического колебания. Единичные элементы представляются в виде:
, где

 

- индекс фазовой модуляции;

- начальная фаза.

Соответствие ФМ сигнала символам и сигналам данных показано
на рисунке:

Как видно на рисунке, изменение фазы происходит при каждом изменении полярности сигнала данных.

начальных фаз приемника и передатчика. Однако при похождении ФМ

сигнала по каналу ТЧ за счёт изменения фазы передаваемого сигнала (переключения генераторного оборудования каналообразующей аппаратуры) возникает так называемая "обратная работа", когда вместо передаваемого символа 1 принимается символ 0. Поэтому на практике ФМ не используется, а применяют ее видоизменение. Советский ученый К.Т.Петрович предложил относительную фазовую модуляцию (ОФМ).
При ОФМ представляющим параметром сигнала, несущим информацию, является изменение фазы при передаче каждого единичного интервала только одной полярности, например, как показано на рисунке положительной. Так, при длительной передаче только положительных посылок частота изменения фазы будет соответствовать скорости передачи единичных элементов.