Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации»




НазваниеМетодические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации»
страница1/21
Дата публикации02.09.2013
Размер2.06 Mb.
ТипМетодические указания
zadocs.ru > Информатика > Методические указания
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»
Политехнический институт

Кафедра «Технологии полиграфического производства и защиты информации»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ПРАКТИЧЕСКИМ (СЕМИНАРСКИМ) ЗАНЯТИЯМ
по дисциплине

«Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации»

Направление подготовки:

090900 «Информационная безопасность»
Профиль подготовки:

«Организация и технология защиты информации»
Квалификация выпускника:

бакалавр

Форма обучения:

очная


Тула 2011 г.

Методические указания составлены к.т.н., доцентом В.А. Селищевым, обсуждены и утверждены на заседании кафедры «Технология полиграфического производства и защиты информации» факультета транспортных и технологических систем
протокол № ____ от «____» _____________ 20____г.

Зав. кафедрой _____________________А.К. Талалаев


Методические указания пересмотрены и утверждены на заседании кафедры «Технология полиграфического производства и защиты информации» факультета транспортных и технологических систем
протокол № ____ от «____» _____________ 20____г.

Зав. кафедрой _____________________А.К. Талалаев

СОДЕРЖАНИЕ


3.2. Современные цифровые интегральные микросхемы 24


Занятие 1

Содержание: Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования сигналов.
Задание к практическому занятию:

1. Составить логическую схему базы знаний по содержанию блока.

2. Составить терминологический словарь.

3. Выполнить все пункты, перечисленные в разделе подготовительного этапа к практическому занятию.
Практическое занятие (деловая игра)

Цели: 1. Закрепить и углубить изучаемый материал студентами.

2. Уметь изложить свою точку зрения по вопросам обработки, хранения и передачи информации.

Участники: Студенты распределены на 3 подгруппы:

1-я подгруппа – заказчики (задающие вопросы);

2-я подгруппа – специалисты (отвечающие на вопросы);

3-я подгруппа – экспертная группа (оценивающие правильность формулировки вопросов и ответов на них).

Время: 90 минут.
^ 1. Подготовительный этап (домашняя работа):

1. Подготовить материл по ранее выданной на текущее занятие (в конце предыдущего занятия) преподавателем теме:

- составить план блока;

- составить терминологический словарь: выписать встречаемые в тексте блока термины и дать им расшифровку;

2. По содержанию блока составить до десяти вопросов.

3. Быть готовыми ответить на вопросы по рассматриваемой теме. Уметь оценить вопросы и ответы участников будучи в подгруппе экспертов.

4. Оформить домашнюю работу в виде отчета.


^ 2. Порядок проведения практического занятия

1. Организация занятия (проверка присутствующих и готовности к занятиям, объявление темы исходя из содержания текущего занятия). (5 минут.)

2. Распределение на подгруппы и доведение порядка проведения занятия. (5 минут.)

3. Присвоение подгруппам первоначальных ролей (заказчики, специалисты, экспертная группа). (5 минут.)

4. Обсуждение студентами подгрупп вопросов, вынесенных на практическое занятие с целью выработки общих позиций:

4.1. Вопросы со стороны подгруппы заказчиков. (15 минут.)

4.2. Ответы со стороны подгруппы специалистов. (15 минут.)

4.3. Оценивание подгруппой экспертов вопросов и ответов участников. (15 минут.)

4.4. Дискуссии. (10 минут.)

4.5.Выработка общей позиции и общего подхода к вопросам рассматриваемым на текущем занятии согласно его теме. (5 минут.)

5. Обсуждение преподавателем и старшими групп оценок участников занятия. (5 минут.)

6. Подведение итогов занятия с объявлением окончательных оценок участников практического занятия. (5 минут.)

7. Объявление темы и содержания следующего практического занятия. (5 минут.)

^ 2.2. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования сигналов.
Цифро-аналоговые преобразователи
Назначение и виды цифро-аналоговых преобразователей. Цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) называется электронное устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации в аналоговую. Они используются для формирования сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанного с управляющим кодом. В большинстве случаев эта функциональная зависимость является линейной. Наиболее часто ЦАП используются для сопряжения устройств цифровой обработки сигналов с системами, работающими с аналоговыми сигналами. Кроме этого, ЦАП используются в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях и в устройствах сравнения цифровых величин с аналоговыми.

Области применения ЦАП достаточно широки. Они применяются в системах передачи данных, в измерительных приборах и испытательных установках, в синтезаторах напряжения и генераторах сложных функций, для формирования изображений на экране дисплеев и др. В связи с этим разработано и выпускается большое количестве интегральных микросхем ЦАП.

По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП следующих видов: со сложением токов, с делением напряжения и со сложением напряжений. В микроэлектронном исполнении применяются только первые два типа.

По виду выходного сигнала ЦАП делят на два вида: с токовым выходом и выходом по напряжению. Для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение обычно используются операционные усилители.

По полярности выходного сигнала ЦАП принято делить на однополярные и двухполярные.

Управляющий код, подаваемый на вход ЦАП, может быть различным: двоичным, двоично-десятичным, Грея, унитарным и др. Кроме того, различными могут быть и уровни логических сигналов на входе ЦАП.

При формировании выходного напряжения ЦАП под действием управляющего кода обычно используются источники опорного напряжения. В зависимости от вида источника опорного напряжения ЦАП делят на две группы: с постоянным опорным напряжением и с изменяющимся опорным напряжением. Кроме этого, ЦАП делят по основным характеристикам: количеству разрядов, быстродействию, точности преобразования, потребляемой мощности.

Основные параметры ЦАП. Все параметры ЦАП можно разделить на две группы: статические и динамические.

К статическим параметрам ЦАП относят: разрешающую способность, погрешность преобразования, диапазон значений выходного сигнала, характеристики управляющего кода, смещение нулевого уровня и некоторые другие.

К динамическим показателям ЦАП принято относить: время установления выходного сигнала, предельную частоту преобразования, динамическую погрешность. Рассмотрим некоторые из этих параметров.

Разрешающая способность ЦАП определяется как величина, обратная максимальному количеству градаций выходного сигнала. Так, например, если разрешающая способность ЦАП составляет 10-5, то это означает, что максимальное число градаций выходного сигнала равно 105. Иногда разрешающую способность ЦАП оценивают выходным напряжением при изменении входного кода на единицу младшего разряда, т. е. шагом квантования. Очевидно, что чем больше разрядность ЦАП, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность преобразования ЦАП принято делить на дифференциальную и погрешность нелинейности. С ростом кода на входе ЦАП растет и выходное напряжение, однако при увеличении напряжения могут быть отклонения от линейной зависимости. Погрешностью нелинейности называют максимальное отклонение выходного напряжения от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Дифференциальной погрешностью называют максимальное отклонение от линейности для двух смежных значений входного кода.

Напряжение смещения нуля определяется выходным напряжением при входном коде, соответствующем нулевому значению.

Время установления tуст - это интервал времени от подачи входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы, определяемые погрешностью.

Максимальная частота преобразования - наибольшая частота дискретизации, при которой все параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

По совокупности параметров ЦАП принято делить на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быстродействующие ЦАП имеют время установления меньше 100нс. К прецизионным относят ЦАП, имеющие погрешность нелинейности менее 0,1%.

Принципы построения ЦАП. Существует несколько схем, являющихся базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса. Для формирования соответствующих уровней выходного напряжения (или тока) к выходу ЦАП подключается необходимое количество опорных сигналов Е1, Е2 ...Еn (или токов I1, I2...In), либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления К1, К2...Кn.

На рис. 2.2 приведена схема ЦАП с суммированием токов. В этой схеме используются п опорных источников тока I1, I2...In. Входной код b1, b2...bn управляет ключами S1, S2...Sn, которые или подключают источники тока к нагрузке, или замыкают их накоротко. При этом если bi = 0, то соответствующий источник закорочен и в работе схемы не участвует. Если же bi = 1, то соответствующий источник тока подключен к нагрузке. Результирующий ток равен сумме токов опорных источников, для которых bi = 1. Напряжение на выходе будет равно результирующему току I∑, умноженному на сопротивление Rнт. е.

(2.7)

Так, например, если входной код является двоичным, то результирующий ток определяется выражением:

(2.8)

где п - число двоичных разрядов входного тока, N - n-разрядное цифровое слово.



Рис. 2.2. Упрощенная схема ЦАП с суммированием токов
Упрощенная схема ЦАП со сложением напряжений приведена на рис. 2.3. В этой схеме используется п опорных источников напряжения Е1, Е2...Еn. Входной код управляет ключами S1, S2...Sn которые или подключают соответствующие источники опорного напряжения к нагрузке, или отключают их. Так же, как и для схемы с суммированием токов, при bi = 1. соответствующий источник напряжения включен, а при bi = 0 - выключен. Результирующее напряжение на выходе равно сумме напряжений включенных опорных источников.




Рис. 2.3. Упрощенная схема ЦАП с суммированием напряжений
Так, например, для входного двоичного кода выходное напряжение определяется по формуле

(2.9)
Упрощенная схема ЦАП с делением опорного напряжения E0 приведена на рис. 2.4. В этой схеме имеется один источник опорного напряжения и набор калиброванных сопротивлений R1, R2...Rn, с помощью которых напряжение опорного источника может быть разделено до значения, соответствующего входному коду.

Выходное напряжение для схемы, приведенной на рис. 2.4, определяется формулой

(2.10)

где R∑ - результирующее сопротивление устанавливаемое при помощи ключей S1, S2...Sn которые управляются входным кодом.


Рис. 2.4. Упрощенная схема ЦАП с делением напряжений
При Rн = 0 эта схема превращается в управляемый источник тока, т. е. работает так же, как схема со сложением токов. Практически выполнить Rн = 0 можно при помощи операционного усилителя с параллельной обратной связью.

^ Аналого-цифровые преобразователи
Виды аналого-цифровых преобразоваталей и их особенности. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопротивления, емкости и др.) в цифровой код. Наиболее часто входной величиной является напряжение. Все другие величины перед подачей на такой АЦП нужно предварительно преобразовывать в напряжение. Однако на практике находят применение также преобразователи, например, сопротивления или емкости в цифровой код без промежуточного преобразования в напряжение. Обычно это позволяет уменьшить погрешность преобразования, но усложняет проектирование преобразователя и его изготовление. Последнее объясняется тем, что серийные промышленные микросхемы АЦП предназначены только для работы с напряжением. Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены только преобразователи напряжения в цифровой код.

В общем случае напряжение характеризуется его мгновенным значением u(t). Однако для оценки напряжения можно также пользоваться его средним за выбранный промежуток времени Т значением:



В связи с этим все типы АЦП можно разделить на две группы: АЦП мгновенных значений напряжения и АЦП средних значений напряжения. Так как операция усреднения предполагает интегрирование мгновенного значения напряжения, то АЦП средних значений часто называют интегрирующими.

При преобразовании напряжения в цифровой код используются три независимых операции: дискретизация, квантование и кодирование. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала представляет собой преобразование непрерывной функции напряжения u(t) в последовательность чисел u(tn), где = 0,1,2..., отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. При дискретизации непрерывная функция u(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов u(tn), как показано на рис. 2.5 а.

Вторая операция, называемая квантованием, состоит в том, что мгновенные значения функции u(t) ограничиваются только определенными уровнями, которые называются уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функция u(t) принимает вид ступенчатой кривой uk(t) показанной на рис. 2.6.

Рис. 2.5. Процесс дискретизации (а) и квантования (б) непрерывного

сигнала u(t)
Третья операция, называемая кодированием, представляет дискретные квантованные величины в виде цифрового кода, т. е. последовательности цифр, подчиненных определенному закону. С помощью операции кодирования осуществляется условное представление численного значения величины.

Рис. 2.6. Характеристика идеального квантования (а) и график изменения погрешности квантования (б)




Выходной величиной АЦП является цифровой код, т. е. последовательность цифр, с помощью которой представляются дискретные кантованные величины. В АЦП используют четыре основных типа кодов: натуральный двоичный, десятичный, двоично-десятичный и код Грея. Кроме этого, АЦП, предназначенные для вывода информации в десятичном коде, выдают на своем выходе специализированный код для управления семисегментными индикаторами.

Большинство АЦП работают с выходом в натуральном двоичном коде, при котором каждому положительному числу N ставится в соответствие код



где bi равны нулю или единице. При этом положительное число в двоичном коде имеет вид

(2.9)

Такой код принято называть прямым: его крайний правый разряд является младшим, а крайний левый - старшим. Прямой код пригоден лишь для работы с однополярными сигналами. Полный диапазон преобразуемого сигнала равен 2n, a Nmax = 2n - 1.

Двоичные числа, используемые в АЦП, как правило нормализованы, т. е. их абсолютное значение не превышает единицы. Они представляют собой отношение входного сигнала к полному диапазону:

(2.10)

Если АЦП должен работать с двуполярными числами, то наиболее часто используют дополнительный код, который образуется вычитанием преобразуемого числа С из постоянной величины 2n+1. Иначе говоря, находится дополнение до двух к числу С. Диапазон представления чисел в двоичном коде имеет значение от 2-m до 1-2-m. Нуль имеет одно значение 000...0.

При использовании в АЦП двоично-десятичных кодов каждая значащая десятичная цифра представляется четырьмя двоичными знаками и содержит десять значений сигнала от 0 до 9. Так, например, десятичное число 10 можно представить как 0001 0000, а число 99 можно представить в виде 1001 1001.

Основные характеристики АЦП. Любой АЦП является сложным электронным устройством, которое может быть выполнено в виде одной интегральной микросхемы или содержать большое количество различных электронных компонентов. В связи с этим характеристики АЦП зависят не только от его построения, но и от характеристик элементов, которые входят в его состав. Тем не менее большинство АЦП оценивают по их основным метрологическим показателям, которые можно разделить на две группы: статические и динамические.

К статическим характеристикам АЦП относят: абсолютные значения и полярности входных сигналов, входное сопротивление, значения и полярности выходных сигналов, выходное сопротивление, значения напряжений и токов источников питания, количество двоичных или десятичных разрядов выходного кода, погрешности преобразования постоянного напряжения и др. К динамическим параметрам АЦП относят: время преобразования, максимальную частоту дискретизации, апертурное время, динамическую погрешность и др.

Рассмотрим некоторые из этих параметров более подробно. Основной характеристикой АЦП является его разрешающая способность, которую принято определять величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающую способность можно выражать в процентах, в количестве разрядов или в относительных единицах. Например, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (1024)-1 ≈ 10-3 = 0,1 %. Если напряжение шкалы для такого АЦП равно 10В, то абсолютное значение разрешающей способности будет около 10 мВ.

Реальное значение разрешающей способности отличается от расчетного из-за погрешностей АЦП. Точность АЦП определяется значениями абсолютной погрешности, дифференциальной и интегральной нелинейности. Абсолютную погрешность АЦП определяют в конечной точке характеристики преобразования, поэтому ее обычно называют погрешностью полной шкалы и измеряют в единицах младшего разряда.

Дифференциальную нелинейность (DNL) определяют через идентичность двух соседних приращений сигнала, т. е. как разность напряжений двух соседних квантов: DNL = hi - hi+1. Определение дифференциальной нелинейности показано на рис. 2.7 а.

Интегральная нелинейность АЦП (INL) характеризует идентичность приращений во всем диапазоне входного сигнала. Обычно ее определяют, как показано на рис. 2.7 б, по максимальному отклонению сглаженной характеристики преобразования от идеальной прямой линии, т. е. INL = u′i - ui

Время преобразования Tпp обычно определяют как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе АЦП устойчивого кода входного сигнала. Для одних типов АЦП это время постоянное и не зависит от значения входного сигнала, для других АЦП это время зависит от значения входного сигнала. Если АЦП работает без устройства выборки и хранения, то время преобразования является апертурным временем.

Рис. 2.7. Определение дифференциальной нелинейности (а) и интегральной нелинейности (б)
Максимальная частота дискретизации - его частота, с которой возможно преобразование входного сигнала, при условии, что выбранный параметр (например, абсолютная погрешность) не выходит за заданные пределы. Иногда максимальную частоту преобразования принимают равной обратной величине времени преобразования. Однако это пригодно не для всех типов АЦП.

Принципы построения АЦП. Все типы используемых АЦП можно разделить по признаку измеряемого значения напряжения на две группы: АЦП мгновенных значений напряжения и АЦП средних значений напряжения (интегрирующие АЦП).

АЦП мгновенных значений можно разделить на следующие основные виды: последовательного счета, последовательного приближения, параллельные, параллельно-последовательные и с промежуточным преобразованием в интервал времени.

Структурная схема АЦП последовательного счета приведена на рис. 2.8 а. Она содержит компаратор, при помощи которого выполняется сравнение входного напряжения с напряжением обратной связи. На прямой вход компаратора поступает входной сигнал uвх, а на инвертирующий - напряжение u5 обратной связи. Работа преобразователя начинается с приходом импульса "ПУСК" от схемы управления (на рисунке она не показана), который замыкает ключ S. Через замкнутый ключ S импульсы u1 от генератора тактовых импульсов поступают на счетчик, который управляет работой цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В результате последовательного увеличения выходного кода счетчика N происходит последовательное ступенчатое увеличение выходного напряжения u5ЦАП. Питание ЦАП выполняется от источника опорного напряжения u4.

Когда выходное напряжение ЦАП сравняется с входным напряжением, произойдет переключение компаратора и по его выходному сигналу "СТОП" разомкнется ключ S. В результате импульсы от генератора перестанут поступать на вход счетчика. Выходной код, соответствующий равенству ивх = и5, снимается с выходного регистра счетчика.

Графики, иллюстрирующие процесс преобразования напряжения в цифровой код, приведены на рис. 2.8 б. Из этих графиков видно, что время преобразования переменное и зависит от уровня входного сигнала. При числе двоичных разрядов счетчика, равном п, и периоде следования счетных импульсов Т максимальное время преобразования можно определить по формуле:

(2.11)

Рис. 2.8. Структурная схема АЦП последовательного счета (а) и графики процесса преобразования (б)
Так, например, при п = 10 разрядов и T = 1мкс (т.е. при тактовой частоте 1 МГц) максимальное время преобразования равно



что обеспечивает максимальную частоту преобразования около 1 кГц.

Уравнение преобразования АЦП последовательного счета можно записать в виде:



где 0 ≤ k ≤ n - число ступеней до момента сравнения, ∆U = h - значение одной ступени, т. е. шаг квантования.

Занятие 2

Содержание: Фильтры, их классификация и основные характеристики.
Задание к практическому занятию:

1. Составить логическую схему базы знаний по содержанию блока.

2. Составить терминологический словарь.

3. Выполнить все пункты, перечисленные в разделе подготовительного этапа к практическому занятию.
Практическое занятие (деловая игра)

Цели: 1. Закрепить и углубить изучаемый материал студентами.

2. Уметь изложить свою точку зрения по вопросам обработки, хранения и передачи информации.

Участники: Студенты распределены на 3 подгруппы:

1-я подгруппа – заказчики (задающие вопросы);

2-я подгруппа – специалисты (отвечающие на вопросы);

3-я подгруппа – экспертная группа (оценивающие правильность формулировки вопросов и ответов на них).

Время: 90 минут.
^ 1. Подготовительный этап (домашняя работа):

1. Подготовить материл по ранее выданной на текущее занятие (в конце предыдущего занятия) преподавателем теме:

- составить план блока;

- составить терминологический словарь: выписать встречаемые в тексте блока термины и дать им расшифровку;

2. По содержанию блока составить до десяти вопросов.

3. Быть готовыми ответить на вопросы по рассматриваемой теме. Уметь оценить вопросы и ответы участников будучи в подгруппе экспертов.

4. Оформить домашнюю работу в виде отчета.


^ 2. Порядок проведения практического занятия

1. Организация занятия (проверка присутствующих и готовности к занятиям, объявление темы исходя из содержания текущего занятия). (5 минут.)

2. Распределение на подгруппы и доведение порядка проведения занятия. (5 минут.)

3. Присвоение подгруппам первоначальных ролей (заказчики, специалисты, экспертная группа). (5 минут.)

4. Обсуждение студентами подгрупп вопросов, вынесенных на практическое занятие с целью выработки общих позиций:

4.1. Вопросы со стороны подгруппы заказчиков. (15 минут.)

4.2. Ответы со стороны подгруппы специалистов. (15 минут.)

4.3. Оценивание подгруппой экспертов вопросов и ответов участников. (15 минут.)

4.4. Дискуссии. (10 минут.)

4.5.Выработка общей позиции и общего подхода к вопросам рассматриваемым на текущем занятии согласно его теме. (5 минут.)

5. Обсуждение преподавателем и старшими групп оценок участников занятия. (5 минут.)

6. Подведение итогов занятия с объявлением окончательных оценок участников практического занятия. (5 минут.)

7. Объявление темы и содержания следующего практического занятия. (5 минут.)
^ 2.4. Фильтры, их классификация и основные характеристики.
Слово «фильтр» пришло в русский язык из средневековой латыни (по латыни filtrum – войлок). Через войлок алхимики процеживали жидкости, пытаясь отделить находящиеся в них твердые частицы.

В каком-то смысле электрический фильтр подобен войлочному, только процеживают через него не жидкости, а электрические сигналы, а критерием, по которому происходит фильтрация, является их частота.

Электрические фильтры – важнейший элемент практически любой электронной схемы, их можно встретить в радиоприемной и передающей аппаратуре, источниках питания, вычислительной технике, устройствах автоматики и телемеханики, звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре.

Электрические фильтры относятся к частотно–избирательным устройствам, в которых ослабление сигнала в некоторой области частот мало по сравнению с другими участками частотного диапазона.

Электрические фильтры можно классифицировать по разным признакам.

По полосе пропускания их делят на:

•         низкочастотные (пропускают низкие и подавляют высокие частоты);

•         высокочастотные (пропускают высокие и подавляют низкие частоты);

•         полосовые пропускающие (пропускают сигнал в некоторой полосе частот);

•         полосовые заградительные или фильтры-пробки (подавляют сигнал в некоторой полосе частот);

•         Разновидностью полосовых фильтров являются т.н. гребенчатые фильтры, которые представляют набор полосовых фильтров с резонансными частотами, отстоящими друг от друга на равные расстояния.

По элементной базе фильтры делят на:

•         пассивные, состоящие из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, и

•         активные, имеющие кроме пассивных элементов еще и активные, например, транзисторы или микросхемы.

По функциональному назначению: различают:

•         сглаживающие фильтры;

•         разделительные межкаскадные фильтры;

•         фильтры для разделения частотного диапазона на полосы и изменения коэффициента усиления частот полос;

•         разделительные фильтры в акустических системах и др.

В основе работы любого фильтра, независимо от его сложности, лежит понятие реактивного сопротивления.

Реактивное сопротивление – это противодействие, оказываемое переменному току емкостным и индуктивным элементами цепи. В радиотехнике принято говорить о емкостном и индуктивном сопротивлении. Некоторые радиокомпоненты, например резисторы, обладают преимущественно активным сопротивлением электрическому току, которое еще называют омическим, а их реактивным сопротивлением можно пренебречь. Другие же компоненты, например катушки индуктивности, наоборот, обладают в основном реактивным сопротивлением, а их активное сопротивление можно не учитывать. Таким образом, полное электрическое сопротивление элемента в общем случае представляет собой сумму активного и реактивного сопротивлений. Активное сопротивление практически не зависит от частоты переменного тока, а реактивное – частотнозависимо, на чем и основан принцип действия электрических фильтров.

Если подать от источника питания на конденсатор емкостью С синусоидальное напряжение U с угловой частотой ω, то ток в схеме будет определяться по формуле:

(1)

Из формулы следует, что ток будет опережать по фазе напряжение на 90 градусов. Если пренебречь фазовыми соотношениями, то можно записать:

(2)

Можно сказать, что конденсатор – это частотнозависимый резистор, реактивное сопротивление которого равно:

(3)

то есть реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте входного сигнала. В электронике, в отличие от математики, комплексную переменную принято обозначать символом «j», а не «i», чтобы не возникало путаницы с током.

Проделав аналогичные вычисления для катушки индуктивности, получим, что ток будет отставать по фазе от напряжения на 90 градусов, а реактивное сопротивление катушки индуктивности будет равно

(4)

Реактивное сопротивление катушки индуктивности прямо пропорционально частоте входного сигнала.

Благодаря тому, что конденсаторы и катушки индуктивности имеют частотно зависимое сопротивление, из них можно создавать частнозависимые делители напряжения, которые будут пропускать только сигналы нужных частот, а остальные подавлять. Простейшим примером таких делителей являются т.н. Г-образные фильтры. В качестве примера рассмотрим фильтр высоких частот (рис. 1).



Рис. 1 Фильтр высоких частот

 

В соответствии с законом Ома ток I на выходе фильтра будет равен:

(5)

а амплитуда выходного напряжения Uвых будет равна:

  (6)

Если на рис. 1 поменять местами R и С, то фильтр будет вести себя противоположным образом, то есть как фильтр низких частот. Можно показать, что для такого фильтра

  (7)

Зависимость выходного напряжения фильтра от частоты входного сигнала для фильтров высоких и низких частот показана на рис. 2.

 



а) б)
Рис. 2. Зависимость выходного напряжения фильтра от частоты входного сигнала для фильтров высоких (а) и низких (б) частот.
Основной характеристикой фильтра является его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), т.е. зависимость модуля коэффициента передачи К или обратной ему величины – затухания а=1/К – от частоты сигнала. Для идеальных фильтров существуют частоты среза, разделяющие области пропускания (а=0) и задерживания (а=1), а затухание фильтра скачкообразно изменяется при переходе от полосы пропускания к полосе задерживания. В реальных фильтрах полосы пропускания и задерживания разделяются переходной зоной, в которой коэффициент затухания изменяется непрерывно от максимально допустимого пропускания (aп) до минимально допустимого в полосе задерживания (аз). Вместо частот среза появляются две граничные частоты: частота среза полосы пропускания (ωп) и частота среза полосы задерживания (ωз). Чем меньше отличаются (ωп) и (ωз), тем выше качество фильтра. Среди пасивных фильтров, Г-образные обладают наихудшими АЧХ, так как не имеютс чётких границ полос пропускания и подавления, а также в ФНЧ нет участка равномерного пропускания с коэффициентом, равным постоянной величине

Если внимательно посмотреть на рис. 2, то на графике для фильтра высоких частот заметна точка перегиба. Влево от этой точки выходная амплитуда убывает пропорционально 1/f. В пределах одной октавы (соответствует изменению частоты в 2 раза) выходная амплитуда уменьшается тоже в 2 раза, т.е. ослабление составляет 6 дБ. Следовательно, простой RC-фильтр  обеспечивает ослабление сигнала 6 дБ на октаву. Если нужно получить ослабление сигнала на 12 или 18 дБ на октаву, следует использовать фильтр, состоящий соответственно из двух или трех секций.

Однако, не все так просто. Проблема заключается в том, что отдельные звенья такого фильтра сильно влияют друг на друга, поэтому результирующая характеристика многозвенного фильтра не является простой совокупностью характеристик отдельных звеньев. Кроме того, на низких частотах конденсаторы и катушки индуктивности фильтра могут иметь весьма значительные размеры и массу.

Значительно лучшими характеристиками обладают пассивные фильтры с параллельным (рис. 3) и последовательным (рис. 4) колебательными контурами. Это – полосовые фильтры.


Рис. 3 Полосовой фильтр с параллельным LC-контуром

На частоте f реактивное сопротивление LC-контура равно:

  (8)

Если внимательно посмотреть на схему рис. 3, то мы увидим, что она фактически представляет собой делитель напряжения, верхнее, частотнонезависимое плечо которого образует резистор R, а нижнее, частотнозависимое, колебательный контур. Поскольку катушка индуктивности и конденсатор по-разному реагируют на изменение частоты, то на некоторой частоте f0, называемой резонансной, сопротивление нижнего плеча делителя стремится к бесконечности и напряжение на нем резко растет.

  (9)

Формулу (9), определяющую резонансную частоту контура, называют формулой Томсона.

Другой разновидностью полосовых фильтров является фильтр с последовательным колебательным контуром:

Отличие этой схемы от предыдущей состоит в том, что на резонансной частоте реактивное сопротивление контура стремится к нулю, и напряжение на нем также стремится к нулю. Такие фильтры называют полосовыми заградительными или фильтрами-пробками.

 



Рис. 4. Полосовой фильтр с последовательным LC-контуром
Если необходимо спроектировать фильтр с плоским горизонтальным участком в полосе пропускания и крутыми склонами, пассивные многозвенные фильтры не подходят, так как из многих плавных перегибов характеристики невозможно сделать один крутой. Решение заключается в использовании т.н. активных фильтров.

Активные фильтры, так же как и пассивные, можно разделить на группы по различным признакам: по функциональному назначению, полосе пропускаемых частот, типу элементной базы, виду обратных связей и др. В частности, по типу элементной базы различают транзисторные фильтры, фильтры на усилителях с ограниченным усилением, на операционных усилителях, на повторителях напряжения и др. Активные фильтры могут иметь одну цепь обратной связи или несколько. Кроме этого, различают фильтры по числу полюсов на частотной характеристике – фильтры первого порядка, второго и более высоких порядков. Фильтры высоких порядков имеют более крутые границы полос пропускания и затухания и более плоскую характеристику в области полосы пропускания, что, естественно, улучшает качество фильтра. К таким фильтрам относятся фильтры Чебышева, Баттерворта, Бесселя и др. Типовые схемы активных фильтров рассчитаны, и параметры их элементов можно взять из таблиц, подставив в них необходимые исходные данные. Простейшим примером активного фильтра является фильтр Саллена и Кея (в некоторых книгах – Ки), названный так по имени его изобретателей. На рис. 5 показаны примеры активный фильтров, выполненных на основе схемы Саллена и Кея[1].




Рис. 5. Активные фильтры.

А – фильтр нижних частот; Б – фильтр верхних частот; В – полосовой фильтр
Операционный усилетель в этих схемах включен как неинвертирующий усилитель напряжения, а частотную характеристику фильтра формируют резисторы и конденсаторы. В зависимости от значений сопротивления и емкости, эти схемы могут быть и фильтрами Баттерворта и Чебышева и Бесселя. Для получения фильтров более высокого порядка активные фильтры можно соединять каскадно

В качестве примера рассмотрим использование фильтров в аппаратуре высокоточного звуковоспризведения или в т.н. Hi-Fi аппаратуре.

При проектировании акустических систем высокоточного звуковоспризведения инженеры всегда сталкиваются с одной проблемой.

Она связана с тем, что один громкоговоритель не способен качественно воспроизвести звук в пределах всего диапазона 20 Гц – 20 кГц, поэтому в массовой и относительно дешевой аппаратуре соответствующее качество воспроизведения обеспечивают две головки, а в более дорогой и мощной аппаратуре акустические системы собирают из нескольких динамиков – низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных. При этом полный диапазон частот аудиосигнала необходимо делить на полосы в соответствии с полосами пропускания динамиков, причем номинальная полоса пропускания динамика должна быть шире этой полосы на 2 октавы при использовании фильтров с крутизной 6 дБ/октава и на одну октаву при использовании фильтров с крутизной 12 дБ/октава. В трехполосной системе низкочастотное звено обычно работает в диапазоне от 20 Гц до 300-600 Гц, среднечастотное – от 300-600 Гц до 2-5 кГц, высокочастотное – от 2-5 кГц до 20 кГц.

Мощность звукового сигнала распределена по спектру неравномерно. Наибольшая мощность сосредоточена в низкочастотной области спектра сигнала, меньшая мощность – в среднечастотной и, относительно малая мощность, – в высокочастотной области. Поэтому, с ростом мощности аппаратуры, применяют параллельное включение одинаковых головок.

Существуют два технических решения по разделению акустического сигнала на полосы. В первом сигнал усиливается одним усилителем на стереоканал, а затем с помощью фильтров разделяется на полосы. Недостатком такого способа является то, что при большой мощности усиленного сигнала через фильтр протекают большие токи, и его элементы – катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы – получаются громоздкими, тяжелыми и весьма дорогостоящими. Такие фильтры обычно размещают в корпусах акустических колонок.

Смысл второго решения состоит в том, что акустический сигнал предварительно разделяют на полосы, а затем сигналы каждой полосы усиливаются отдельными усилителями мощности. Стоимость такой аппаратуры, называемой кроссовером, намного больше, но при значительных мощностях усиливаемого сигнала ее использование является предпочтительным.


Занятие 3

Содержание: Современные цифровые интегральные микросхемы. Общие сведения. Системы счисления и двоичные коды. Булева алгебра. Взаимное соответствие булевых функций и логических схем. Логические элементы. Параметры микросхем.
Задание к практическому занятию:

1. Составить логическую схему базы знаний по содержанию блока.

2. Составить терминологический словарь.

3. Выполнить все пункты, перечисленные в разделе подготовительного этапа к практическому занятию.
Практическое занятие (деловая игра)

Цели: 1. Закрепить и углубить изучаемый материал студентами.

2. Уметь изложить свою точку зрения по вопросам обработки, хранения и передачи информации.

Участники: Студенты распределены на 3 подгруппы:

1-я подгруппа – заказчики (задающие вопросы);

2-я подгруппа – специалисты (отвечающие на вопросы);

3-я подгруппа – экспертная группа (оценивающие правильность формулировки вопросов и ответов на них).

Время: 90 минут.
^ 1. Подготовительный этап (домашняя работа):

1. Подготовить материл по ранее выданной на текущее занятие (в конце предыдущего занятия) преподавателем теме:

- составить план блока;

- составить терминологический словарь: выписать встречаемые в тексте блока термины и дать им расшифровку;

2. По содержанию блока составить до десяти вопросов.

3. Быть готовыми ответить на вопросы по рассматриваемой теме. Уметь оценить вопросы и ответы участников будучи в подгруппе экспертов.

4. Оформить домашнюю работу в виде отчета.


^ 2. Порядок проведения практического занятия

1. Организация занятия (проверка присутствующих и готовности к занятиям, объявление темы исходя из содержания текущего занятия). (5 минут.)

2. Распределение на подгруппы и доведение порядка проведения занятия. (5 минут.)

3. Присвоение подгруппам первоначальных ролей (заказчики, специалисты, экспертная группа). (5 минут.)

4. Обсуждение студентами подгрупп вопросов, вынесенных на практическое занятие с целью выработки общих позиций:

4.1. Вопросы со стороны подгруппы заказчиков. (15 минут.)

4.2. Ответы со стороны подгруппы специалистов. (15 минут.)

4.3. Оценивание подгруппой экспертов вопросов и ответов участников. (15 минут.)

4.4. Дискуссии. (10 минут.)

4.5.Выработка общей позиции и общего подхода к вопросам рассматриваемым на текущем занятии согласно его теме. (5 минут.)

5. Обсуждение преподавателем и старшими групп оценок участников занятия. (5 минут.)

6. Подведение итогов занятия с объявлением окончательных оценок участников практического занятия. (5 минут.)

7. Объявление темы и содержания следующего практического занятия. (5 минут.)
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания к практическим и семинарским занятиям по дисциплине «Статистика»
Методические указания к практическим и семинарским занятиям по дисциплине «Статистика» / Сост. Н. Н. Скитер; Волгогр гос с. Х акад....

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания к практическим (семинарским) занятиям модуля...
Методические указания к практическим (семинарским) занятиям составлены к ю н., доцентом кафедры «Государство и право» Е. М. Горячевой...

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания по практическим занятиям по дисциплине: «управление работой порта»
Методические указания по практическим занятиям подготовлены: доцентом кафедры «ЭиМ» Анищенко Н. В., ассистентом Париновой Е. А

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания к практическим занятиям по дисциплине
Методические указания предназначены для выполнения практических заданий по дисциплине “Организация и планирование производства” студентами...

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания к практическим занятиям по дисциплине
Методические указания к практическим занятиям составлены: доц. Барановым А. П., и обсуждены на заседании кафедры "Подъемно-транспортные...

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания к семинарским занятиям для студентов очного...
Методические указания к семинарским занятиям по экономической теории (частьii макроэкономика)

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания к семинарским занятиям по дисциплине «Международные...
Составитель: Шабанов е и. Наименование. Методические указания к семинарским занятиям дисциплине «Международные конфликты и методы...

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания к практическим занятим по дисциплине «системе государственного управления»
В связи с этим сту­дент сам должен подобрать необходимую литературу и источники для подго­товки к семинарским занятиям

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания к практическим занятиям по дисциплине «История украинской культуры»
История украинской культуры: методические указания к практическим занятиям по дисциплине «История украинской культуры» для студентов...

Методические указания к практическим (семинарским) занятиям по дисциплине «Средства и системы технического обеспечения обработки, хранения и передачи информации» iconМетодические указания к практическим занятиям по дисциплине «Системный анализ отрасли»
Методические указания предназначены для студентов специальности 5В090900 «Логистика (по отраслям)»

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов