Изучение свойств пассивных фильтров.

1.1. Соберите мост Вина (см. рис. 12.1, а), подайте на вход гармонический сигнал с функционального генератора с амплитудой 2 В, вход и выход моста подключите к осциллографу, а для измерения частотных свойств используйте соответствующий прибор. Подав питание, установите частоту генератора, равную частоте . Определите коэффициент передачи сигнала фильтром на этой частоте. Измерьте АЧХ и ФЧХ, объясните их вид. Какова фазовая задержка на часто-те ? Результаты поместите в отчет.

1.2. Измените сопротивления резисторов R 1 и R 2 так, чтобы их произведение осталось примерно неизменным. Например, сопротивление R 1 поделите на два, а сопротивление R 2 умножьте на два. Измерьте АЧХ и сравните с предыдущим результатом. Сделайте выводы.

1.3. Соберите схему двойного Т-образного моста и выполните измерения, подобные выполненным в п. 1.1.

 

Изучение свойств активных фильтров.

2.1. Соберите предложенные на рис. 12.2 схемы, измерьте их частотные свойства, поместив результаты измерения в отчет. Объясните результаты, сравните измеренную граничную частоту с расчетной частотой.

2.2. Измените сопротивления резисторов R 1 и R 2 так, чтобы их произведение осталось примерно неизменным. Измерив АЧХ, сравните с предыдущими результатами. Сделайте выводы.

2.3.* Используя два активных фильтра, предложите схему полосового фильтра с полосой от 100Гц до 300Гц. Соберите и измерьте частотные свойства. Сравните с расчетами и сделайте выводы.

 

Контрольные вопросы

 

1. На какой частоте мост Вина имеет максимальный коэффициент передачи, и каков он?

2. Каков коэффициент передачи моста Вина на нулевой частоте и при стремлении частоты к бесконечности?

3. На какой частоте двойной Т-образный мост имеет минимальный коэффициент передачи?

4. Каков коэффициент передачи двойного Т-образного моста на нулевой частоте и при стремлении частоты к бесконечности?

5. Каков коэффициент передачи предложенных активных фильтров в полосе пропускания?

6. От каких резисторов зависит граничная частота активных фильтров и коэффициент передачи?

 

 

Лабораторная работа № 13

Изучение импульсных и генераторных схем

 

    Цель работы: изучение принципов работы и схемных решений триггеров Шмита, генераторов импульсов, одновибраторов, схем формирования импульсов.

 

 

Общие сведения

    Для формирования кратковременных фронтов из пологих фронтов используются триггеры Шмита. Благодаря наличию гистерезисной передаточной функции они позволяют существенно снизить чувствительность схемы к аддитивным помехам, которые суммируются с полезным сигналом. На рис. 13.1 предложены возможное схемное решение триггера Шмита с использованием логических элементов (а) и передаточная характеристика (б).

 

                                    а)                                                      б)

 

Рис. 13.1. Триггер Шмита на логических элементах

 

    Предложенное схемное решение имеет два разных по величине пороговых напряжения, одно из которых определяет уровень напряжения U _пор,1, при котором в ответ на нарастающий фронт сигнала схема формирует на выходе единицу, а при спадающем фронте в момент преодоления напряжения U _пор,2 < U _пор,1 на выходе формируется логический ноль. Меняя R 1 (соотношение резисторов), можно менять разность пороговых напряжений. Если пороговое напряжение инвертора D 1 равно U _пор, то справедливо неравенство  <  < .

    Простое схемное решение управляемого генератора импульсов предложено на рис. 13.2.

 

 

Рис. 13.2. Схема генератора импульсов на логических элементах

        

Сопротивление резистора R 1 выбирается таким, чтобы выве-сти микросхему D 1 в линейный режим работы. Для этого при известном максимальном входном токе D 1 I _вх.max  и известном пороговом напряжении этого элемента U _пор R 1 выбирается из неравенства
R 1< U _пор / I _вх.max. При использовании элементов серии 155 (ТТЛ) U _пор = 2,4 В, I _вх.max = 1,6 мА сопротивление R 1 < 1,5 кОм. При использовании элементов на МДП-транзисторах сопротивление R 1 может составлять величину в десятки тысяч Ом.

Генерация импульсов разрешается при подаче на управляющий вход «упр» уровня логической единицы. Период формируемых импульсов примерно равен: . Стабильность частоты формируемых импульсов невелика. При необходимости достичь высокой стабильности следует вместо конденсатора использовать кварцевый резонатор (кварц).

    Простая схема одновибратора на логических элементах предложена на рис. 13.3.

 

 

Рис. 13.3. Одновибратор

 

    При единичном уровне сигнала на входе IN резистор R 1 формирует логический ноль на входе инвертора D 2, что приводит к единице на его выходе. Совпадение двух единиц на входах D 1 приводит к нулю на его выходе. Конденсатор окажется в разряженном состоянии, т.е. на нем хранится напряжение, близкое к нулю. Подача кратковременного нулевого уровня на вход схемы вызывает формирование на выходе логического нуля с продолжительностью, примерно равной . На практике применяют для формирования импульсов с требуемой длительностью микросхемы одновибраторов, которые используют более сложные схемные решения.

    Для формирования кратковременных импульсов по заданному фронту, для задержки сигнала широко используют сочетания логических элементов с дифференцирующими и интегрирующими цепями. На рис. 13.4 предложено несколько возможных схемных решений, поведение которых необходимо определить при действии на входы импульсов типа «меандр» с периодом более .

 

                            а)                                                          б)

                   в)                                                                г)

 

Рис. 13.4. Схемы формирования импульсных сигналов

 

 

Порядок выполнения работы

 

    При анализе поведения предложенных схем номинальные значения сопротивлений резисторов и емкости конденсатора выбирайте с учетом номера бригады из табл. 13.1. Работа может выполняться как на компьютерах, так и на стендах.

 

       Таблица 13.1

№ бригады	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
R 1, Ом R 2, кОм C, пФ	510 3 240	200 5,1 680	510 1,5 480	510 5,1 120	200 1,5 480	250 1 240	610 1,5 240	710 3 240	750 3 480	510 1,5 120

    1. Изучение принципа работы триггера Шмита.

    Соберите триггер Шмита на логических элементах и, подавая медленно меняющееся напряжение на вход, измерьте величины пороговых напряжений. В качестве источника медленно меняющегося напряжения может быть использовано синусоидальное напряжение невысокой частоты, пилообразный сигнал с модели функционального генератора или потенциометр, формирующий напряжение в диапазоне от нуля до пяти вольт. Постройте временные диаграммы сигналов во всех точках схемы в предположении пилообразного входного сигнала с учетом измеренных значений пороговых напряжений. Объясните работу схемы.

 

    2. Изучение принципа работы генератора импульсов.

    Соберите генератор импульсов на логических элементах и, подавая на управляющий вход импульсы с частотой F 16 (при работе на стенде) или импульсы типа «меандр» с периодом, во много раз большим постоянной времени RC, при работе на компьютере, постройте временные диаграммы сигналов во всех точках схемы и измерьте все временные параметры формируемых сигналов. Обратите внимание на разницу длительности первого периода с момента подачи разрешающего единичного уровня на управляющий вход и других периодов. Объясните различие.

 

    3. Изучение принципа работы одновибратора.

    Соберите одновибратор импульсов на логических элементах и, подавая на вход импульсы с периодом, значительно большим постоянной времени RC, постройте временные диаграммы сигналов во всех точках схемы и измерьте все временные параметры формируемых сигналов.

 

    4. Изучение принципа работы формирователей импульсов.

    Собирая поочередно предложенные на рис. 13.4 схемы, постройте временные диаграммы сигналов во всех точках схемы и измерьте все временные параметры формируемых сигналов.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Объясните принцип работы любой из предложенных схем.

2. Объясните поведение других возможных схем формирования импульсов, учитывая свойства интегрирующих и дифференцирующих цепей при импульсных воздействиях.

Лабораторная работа № 14

Изучение особенностей прохождения
сигналов в длинных линиях

 

Цель работы: изучение особенностей передачи цифровой информации в линиях связи.

 

 

Общие сведения

Для обмена информацией в сетях ЭВМ находят применение как коаксиальные кабели, так и витые пары, т.е. два изолированных провода, расположенные в непосредственной близости относительно друг друга. Моделью таких линий связи могут служить линии с распределенными параметрами, или длинные линии, анализ поведения которых является одной из решаемых в электротехнике задач.

Длинные линии характеризуют удельной емкостью C и удельной индуктивностью L, которые определяют как емкость и индуктивность участка линии единичной длины. Если считать L = 10 мкГн,
а C = 1000 пФ, то можно смоделировать длинную линию, используя предложенную на рис. 14.1 схему в предположении отсутствия ак-тивных сопротивлений. Волновое сопротивление линии равно  Ом. Чтобы передача информации в длинной линии происходила с минимальными искажениями, необходимо на выходе линии использовать активный резистор с сопротивлением R = Z. Если это условие не выполняется, то будут наблюдаться искажения формы сигнала на выходе линии в сравнении с формой сигнала на входе этой линии, т.е. на выходе в нашем случае генератора импульсов GN 1. Рассмотрим поведение длинной линии при импульсном сигнале на входе и при разных соотношениях волнового сопротивления и сопротивления нагрузки линии.

 

 

Рис. 14.1. Модель длинной линии

При появлении фронта входного сигнала в линии распространяется падающая волна, которая через время задержки T _зд дойдет до выхода линии. В зависимости от сопротивления нагрузки R 2 будет наблюдаться преломленная и отраженная волны. Преломленная является в данном случае выходной, а отраженная будет двигаться в обратном направлении, т.е. ко входу линии. Это приведет к изменению сигнала на входе и к возможности появления отраженных от входа волн, к дальнейшему искажению выходного сигнала линии. Чтобы исключить возможность отражения от входа, на выходе генератора используется резистор R 1 = Z. Это приведет к уменьшению амплитуды входного сигнала, но не изменит его формы.

Предположим, что известна амплитуда импульса A на выходе генератора. В момент прихода на вход фронта импульса линия воспринимается как имеющая сопротивление Z. Тогда на входе линии образуется импульс с амплитудой, равной . образуется падающая волна с этой амплитудой. Если выход линии закорочен, т.е. R 2 = 0, то на выходе линии напряжение будет равно нулю независимо от входного сигнала. Падающая волна отразится от конца линии и спустя время T _зд отраженная волна дойдет до входа линии, что приведет к падению напряжения на входе до нуля. В результате на входе линии в ответ на фронт входного импульса сформируется импульс длительностью 2 T _зд. Это легко объяснить тем, что в случае установившегося процесса, когда переходные процессы в линии закончатся, а входной сигнал будет восприниматься как постоянное напряжение величиной A, сопротивление всех индуктивностей в идеальном случае по постоянному току будет равно нулю. Следовательно, и на входе линии сформируется нулевое напряжение. По окончании переходных процессов в индуктивностях линии установится ток I величиной . Индуктивности линии накопят магнитную энергию. По спадающему фронту входного импульса будет наблюдаться на входе линии кратковременный импульс обратной полярности, что объясняется процессом возврата энергии индуктивностями линии. В идеальном случае на входе линии в предложенной схеме будут наблюдаться предложенные на рис. 14.2, а  сигналы.

Если при действии импульса на входе линии в предложенной эквивалентной схеме (см. рис. 14.1) линия не нагружена (сопротивление R 2 очень велико), то в идеальной линии будут наблюдаться показанные на рис. 14.2, б сигналы. Следует заметить, что на входе линии наблюдаются искажения сигнала. Это является недостатком, хотя сигнал на выходе линии оказывается не искажен. А недостаток объясняется тем, что при отсутствии равенства R 1 = Z отраженная волна, вернувшаяся ко входу линии, отразится от выходной цепи генератора и через время задержки исказит выходной сигнал линии.

 

а)                          б)                           в)                              г)

 

Рис. 14.2. Возможные идеализированные сигналы линии

 

Если линия согласована как по входу, так и по выходу, то искаже-ния сигналов минимальны, как показано на рис. 14.2, в. На рис. 14.2, г предложено поведение линии при условии, что R 2 = 2 Z.

Можно определить скорость распространения электромагнитного поля в длинной линии: .

При необходимости сделать отвод от линии или подать один и тот же сигнал в нескольких направлениях могут использоваться
соединенные в одной точке резисторы, сопротивления которых
подобраны таким образом, чтобы обеспечить согласование по входам принимающих сигнал линий и по выходу источника сигнала. При передаче сигнала в двух направлениях при условии использования линий с одинаковыми волновыми сопротивлениями Z может быть использована предложенная на рис. 14.3 схема.

 

 

Рис. 14.3. Способ подключения двух линий связи
к одному источнику сигнала

Следует заметить, что амплитуда наблюдаемых на выходах сигналов будет меньше входной амплитуды, но искажения формы сигнала будут минимальны.

 

Порядок выполнения работы

 

Работасостендом