Modulacja sygnału

Modulacje - #10 edu elektroda.pl (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Modulacja sygnału

Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe i obwody


Pytanie 1

Nowoczesna metoda regulacji mocy elektrycznej polega na wstawieniu szybko działającego przełącznika w linii z obciążeniem elektrycznym, aby z czasem bardzo szybko włączać i wyłączać zasilanie. Zwykle stosuje się urządzenie półprzewodnikowe, takie jak tranzystor :

Ten obwód został znacznie uproszczony w stosunku do rzeczywistego obwodu mocy sterowanego pulsem. Tylko tranzystor jest pokazany (a nie obwód "impulsowy", który jest potrzebny do polecenia włączenia i wyłączenia) dla uproszczenia. Wszystko, co musisz wiedzieć, to fakt, że tranzystor działa jak zwykły, jednobiegunowy przełącznik SPST, z tym wyjątkiem, że jest sterowany raczej prądem elektrycznym niż siłą mechaniczną i że jest w stanie włączać i wyłączać miliony razy na sekundę bez zużycia i zmęczenia.

Jeśli tranzystor jest wystarczająco szybko włączany i wyłączany, moc do żarówki może być zmieniana tak płynnie, jak gdyby była sterowana przez zmienny rezystor. Jednakże, zużywa się bardzo mało energii, gdy stosuje się szybko przełączający się tranzystor do sterowania mocą elektryczną, w przeciwieństwie do sytuacji, w której do tego samego zadania wykorzystywana jest zmienna rezystancja. Ten tryb regulacji mocy elektrycznej jest powszechnie określany jako modulacja szerokości impulsu lub PWM .

Wyjaśnij, dlaczego sterowanie mocą PWM jest o wiele bardziej wydajne niż sterowanie mocą obciążenia za pomocą rezystancji szeregowej.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Gdy tranzystor jest włączony, działa jak zamknięty przełącznik: przepuszcza prąd o pełnym obciążeniu, ale zrzuca niewielkie napięcie. Tak więc jego rozpraszanie mocy "ON" (P = IE) jest minimalne. Odwrotnie, kiedy tranzystor jest wyłączony, działa jak otwarty przełącznik: nie przekazuje żadnego prądu. Tak więc jego rozpraszanie mocy "OFF" (P = IE) wynosi zero. Moc rozpraszana przez obciążenie (żarówka) jest uśrednioną w czasie mocą rozproszoną pomiędzy cyklami tranzystora "ON" i "OFF". W ten sposób moc obciążenia jest kontrolowana bez "marnowania" mocy w urządzeniu sterującym.

Uwagi:

Uczniowie mogą mieć trudności z uchwyceniem sposobu, w jaki żarówka może zostać przyciemniona poprzez bardzo szybkie włączanie i wyłączanie. Kluczem do zrozumienia tej koncepcji jest uświadomienie sobie, że czas przełączania tranzystora musi być znacznie szybszy niż czas potrzebny do pełnego rozgrzania lub całkowitego ochłodzenia żarnika żarówki. Sytuacja jest analogiczna do dławienia prędkości samochodu poprzez szybkie "pompowanie" pedału przyspieszenia. Jeśli zrobisz to powoli, wynikiem będzie zmienna prędkość samochodu. Jeśli jednak zrobi się to wystarczająco szybko, masa samochodu uśrednia pedał "ON" / "OFF" i powoduje prawie stałą prędkość.

Ta technika jest bardzo popularna w przemysłowej kontroli mocy i zyskuje popularność jako technika wzmacniania audio (znana jako klasa D ). Korzyści z minimalnej straty energii przez urządzenie sterujące są liczne.

pytanie 2

Wyjaśnij różnicę między AM ( modulacja amplitudy ) i FM ( modulacja częstotliwości ).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

To proste pytanie, na które można znaleźć odpowiedź. Zostawię ci pracę!

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, jakiego rodzaju modulacji użyje ich obwód nadajnika i jakie zalety może mieć jeden typ modulacji w stosunku do drugiego.

pytanie 3

Bardzo ważną koncepcją w elektronice jest modulacja . Wyjaśnij, co oznacza "modulacja", i daj jeden lub dwa przykłady tego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Modulacja to działanie polegające na wywieraniu wrażenia na strumieniu materii lub energii pozbawionej cech, zwykle ze względu na przekazywanie tej informacji na duże odległości. Radio jest bardzo częstym przykładem modulacji, ale pozwolę ci samemu zbadać kilka rzeczy!

Uwagi:

Istnieje wiele przykładów modulacji, które uczniowie mogą znaleźć do prezentacji, i nie wszystkie z nich są elektroniczne. Rzuć im wyzwanie, aby pomyślał o scenariuszach innych niż współczesne elektroniczne i / lub optyczne schematy komunikacji, w których stosuje się modulację.

Pytanie 4

Prymitywną formą komunikacji dawno temu było używanie sygnałów dymu : przerywając wzbierający strumień dymu z ognia, powiewając nad nim kocem, aby określone sekwencje dymnych "puf" mogły być widoczne w pewnej odległości. Wyjaśnij, w jaki sposób jest to przykład modulacji, aczkolwiek w formie nieelektronicznej.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Modulacja jest wrażeniem informacji na bezsensownym strumieniu materii lub energii. W tym przypadku modulacja strumienia dymu za pomocą ruchów koca powinna być raczej oczywista.

Uwagi:

Ważne jest, aby uczniowie zrozumieli, że modulacja nie jest ograniczona do mediów elektronicznych. Przykłady obce mogą być przytoczone jako dowód. Kiedyś rozmawiałem z inżynierem specjalizującym się w pomiarze drgań, który powiedział mi o bardzo dziwnym zastosowaniu modulacji do transmisji danych. Pracował nad konstrukcją czujnika wibracji, który byłby osadzony w głowicy wiertła wiertniczego. Ten czujnik miał przekazywać informacje na powierzchnię, tysiące stóp w górę, ale nie mógł korzystać z radia ani żadnego innego "normalnego" nośnika danych z powodu odległości i trudnego środowiska. Rozwiązaniem tego unikalnego problemu było sprawienie, by czujnik aktywował zawór na głowicy wiertniczej, który modulowałby przepływ płuczki wiertniczej do powierzchni: produkt uboczny procesu wiercenia, który i tak musiał zostać wypompowany na powierzchnię. Poprzez pulsowanie normalnie stabilnego przepływu błota, dane cyfrowe mogą być przekazywane do czujników ciśnienia na powierzchni, a następnie przekształcane w dane binarne dla komputera do archiwizacji i tłumaczenia. Oczywiście szybkość transmisji była bardzo powolna, ale system działał.

Aplikacja taka jak ta pokazuje, jak ważne jest, aby uczniowie ćwiczyli kreatywność. Naprawdę interesujące problemy w życiu nie poddają się "wypróbowanym i prawdziwym" rozwiązaniom, ale można je pokonać jedynie poprzez wykorzystanie kreatywności i umiejętności. Zrób wszystko, aby wystawić uczniów na takie kreatywne myślenie w ramach ich dyscypliny (dyscyplin), a to pomoże im stać się sprawcami jutra!

Pytanie 5

Jedną z najprostszych elektronicznych metod modulacji jest modulacja amplitudy lub AM . Wyjaśnij, w jaki sposób sygnał nośnej wysokiej częstotliwości byłby modulowany przez sygnał o niższej częstotliwości, tak jak w przypadku dwóch sygnałów pokazanych tutaj w dziedzinie czasu:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Nie spodziewam się, że studenci będą w stanie precyzyjnie nakreślić zmodulowany kształt fali, zwłaszcza gdy okres nośnej jest tak krótki. Powinni jednak być w stanie wyrazić ogólną ideę modulacji amplitudy w jakiejś formie rysunku lub szkicu, i to wszystko, co chciałbym zobaczyć od nich w odpowiedzi na to pytanie.

Pytanie 6

Obwód często używany do modulowania amplitudy sygnału nośnego jest mnożnikiem :

Wyjaśnij, w jaki sposób chwilowe mnożenie dwóch fal sinusoidalnych powoduje modulację amplitudy. Jeśli to możliwe, wyrysuj to na kalkulatorze graficznym lub innym urządzeniu do drukowania komputerowego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwolę ci samemu to wymyślić!

Uwagi:

Układy mnożnikowe są bardzo przydatne, a nie tylko do modulacji amplitudowej. Fakt, że mogą one być używane jako modulatory amplitudy, jest pojęciem, które niektórzy uczniowie uważają za trudne do zrozumienia. Jedną z ilustracji, która może wyjaśnić problem, jest regulowany dzielnik napięcia (ponieważ mnożenie i dzielenie są bardzo blisko powiązane):

Teraz taki obwód potencjometru byłby całkowicie niepraktyczny dla dowolnej modulowanej częstotliwości sygnału mierzonej w hercach, ponieważ potencjometr byłby bardzo szybko zużywał się od całego ruchu. Jest to zasada modulowanego podziału napięcia, którą ten obwód ułatwia komunikację. Układy mnożnika robią to samo, a jedynie mnożą amplitudę sygnału nośnej, a nie dzielą go.

Pytanie 7

Popularną techniką modulacji wykorzystywaną w radiofonii jest modulacja częstotliwości lub FM . Wyjaśnij, w jaki sposób sygnał nośnej wysokiej częstotliwości byłby modulowany przez sygnał o niższej częstotliwości, tak jak w przypadku dwóch sygnałów pokazanych tutaj w dziedzinie czasu:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Nie spodziewam się, że studenci będą w stanie precyzyjnie nakreślić zmodulowany kształt fali, zwłaszcza gdy okres nośnej jest tak krótki. Powinni jednak być w stanie wyrazić ogólną koncepcję modulacji częstotliwości w jakiejś formie rysunku lub szkicu, i to wszystko, co chciałbym zobaczyć od nich w odpowiedzi na to pytanie.

Pytanie 8

Sercem nadajnika FM jest obwód zwany oscylatorem sterowanym napięciowo lub VCO . Wyjaśnij, jaki jest cel VCO i jak to bezpośrednio odnosi się do modulacji częstotliwości.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

VCO generuje sygnał wyjściowy AC, którego częstotliwość jest proporcjonalna do zewnętrznego napięcia wejściowego.

Uwagi:

Uwaga dla uczniów, że obwody VCO nie są używane tylko w transmisji radiowej FM. Są również niezbędne do funkcjonowania pętli z fokusem fazowym .

Pytanie 9

Jest to schemat dla bardzo prostego VCO:

Oscylator ma konstrukcję "Colpitts". Kluczem do zrozumienia działania tego obwodu jest wiedza, w jaki sposób dioda Varactor reaguje na różne wielkości napięcia polaryzacji prądu stałego. Wyjaśnij, w jaki sposób działa ten obwód, szczególnie w jaki sposób dioda wywiera kontrolę nad częstotliwością oscylacji. Dlaczego częstotliwość wyjściowa zmienia się w zależności od napięcia sterującego "# 9"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Gdy napięcie na diodzie Varactor zmienia się, zmienia się jego pojemność.

Częstotliwość wyjściowa wzrasta wraz ze wzrostem napięcia sterującego.

Uwagi:

To pytanie jest dobrym przeglądem funkcji diody varactor, a także teorii modulacji częstotliwości.

Pytanie 10

To jest schemat dla prostego VCO:

Oscylator ma konstrukcję RC "przesunięcie fazowe". Wyjaśnij, jak działa ten obwód. Dlaczego częstotliwość wyjściowa zmienia się w zależności od napięcia sterującego "# 10"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Aby zrozumieć, w jaki sposób JFET funkcjonują w tym projekcie VCO, dokładnie zbadaj regiony "nasycenia" charakterystycznych krzywych JFET. Zwróć uwagę, że te regiony wyglądają jak prawie proste odcinki. Wskazuje to na zachowanie nasyconego JFET, który jest wykorzystywany w tym obwodzie VCO.

Częstotliwość wyjściowa maleje, gdy napięcie sterowania staje się bardziej dodatnie.

Uwagi:

To pytanie nie tylko pozwala uczniom badać funkcjonowanie VCO, ale również zapewnia dobry przegląd teorii JFET, a także praktyczny przykład specjalnej aplikacji tranzystorów polowych połączeniowych.

Uwaga: schemat tego obwodu został wyprowadzony z tego znalezionego na stronie 997 John Markusa

, pierwsza edycja. Wygląda na to, że projekt pochodzi z publikacji Motoroli o wykorzystaniu tranzystorów polowych ("Zastosowania niskich częstotliwości tranzystorów polowych" AN-511, 1971).

Pytanie 11

FM wydaje się być znacznie bardziej odpornym na zakłócenia sposobem modulacji sygnału niż AM. Na przykład "trzeszcząca" forma zakłóceń radiowych spowodowanych przez naturalne błyskawice lub "brzęczący" hałas wytwarzany przez linie wysokiego napięcia są łatwo słyszalne w radiu AM, ale nieobecne w radiu FM. Wyjaśnij dlaczego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zakłócenia radiowe manifestują się jako dodatkowe szczyty na "obwiedni" modulowanej fali nośnej. Odbiór AM opiera się na wydobyciu tej koperty z modulowanego nośnika, a zatem odbiorniki AM "wychwycą" niepożądany szum. Odbiór FM opiera się na pobieraniu informacji ze zmian częstotliwości, na które w dużej mierze nie ma wpływu szum.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili tę zasadę własnymi słowami, a nie tylko powtarzali daną odpowiedź.

Pytanie 12

Podczas przesyłania informacji audio (takich jak muzyka i mowa) w postaci fal radiowych, po co zamieniać modulację sygnału nośnej wysokiej częstotliwości? Dlaczego po prostu podłączyć potężny wzmacniacz audio bezpośrednio do anteny i bezpośrednio wysyłać częstotliwości audio?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Istnieje kilka powodów, dla których nie chcielibyście emitować fal elektromagnetycznych (radiowych) na częstotliwościach audio. Oto kilka najważniejszych z nich:

Niezbędny rozmiar anteny.
Niska sprawność transmisji od niezdolności dopasowania długości anteny do (zmiany) częstotliwości dźwięku.
Zakłócenia z innych (podobnych) nadajników radiowych.

Przygotuj się na wyjaśnienie, dlaczego każdy z tych czynników skutecznie zabrania emisji audycji radiowych na częstotliwościach audio.

Uwagi:

Celem tego pytania jest przekonanie uczniów, że rozumieją podstawową teorię RF i antenową do bardzo praktycznego problemu nadawania informacji o niskiej częstotliwości (w tym przypadku audio). Zabawnym ćwiczeniem do wykonania wraz z tym pytaniem jest obliczenie niezbędnych fizycznych wymiarów anteny ćwierćfalowej ((((λ) / 4)) z częstotliwością 2 kHz, pamiętając, że λ = v / f i v ≈ 3 × 10 8 metrów na sekundę.

Pytanie 13

Przewiduj, w jaki sposób częstotliwość wyjściowa tego obwodu oscylatora sterowanego napięciem (VCO) zostanie zakłócona w wyniku następujących błędów. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Kondensator C 1 nie działa poprawnie:
Dławik L 1 nie działa otwarty:
Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Cewka indukcyjna L 2 częściowo zwarta:

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki. Uwaga: zależna od napięcia pojemność diody Varactor jest określona następującym równaniem:

C j = C o



2V + 1

Gdzie,

C J = Pojemność złącza

C o = Pojemność złącza przy braku przyłożonego napięcia

V = przyłożone napięcie na połączeniu zwrotnym

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Kondensator C 1 nie działa poprawnie: wzrasta częstotliwość wyjściowa.
Dławik L 1 nie działa otwarty: częstotliwość wyjściowa maleje.
Rezystor R 1 nie działa otwarty: częstotliwość wyjściowa maleje.
Rezystor R2 nie działa poprawnie: wzrasta częstotliwość wyjściowa.
Cewka indukcyjna L 2 częściowo zwarta: Częstotliwość wyjściowa wzrasta.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 14

Określić cykl roboczy tego sygnału prostokątnego:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Cykl roboczy ≈ 10%

Uwagi:

To pytanie rzuca wyzwanie uczniom, aby zastosowali swoją wiedzę z zakresu cyklu pracy do scenariusza pomiarowego.

Pytanie 15

Określić cykl roboczy tego sygnału prostokątnego:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Cykl roboczy ≈ 80%

Uwagi:

To pytanie rzuca wyzwanie uczniom, aby zastosowali swoją wiedzę z zakresu cyklu pracy do scenariusza pomiarowego.

Pytanie 16

Rezystancyjne obciążenie DC odbiera modulowaną szerokość impulsu (PWM) z obwodu kontrolera, a oscyloskop pokazuje przebieg napięcia obciążenia jako taki:

Oblicz cykl roboczy tego kształtu fali, a także średnią moc rozpraszaną przez obciążenie przy założeniu rezystancji obciążenia 1, 8 Ω.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Cykl roboczy ≈ 12, 5%

Średnia P ≈ 250 W

Pytanie uzupełniające: jakie parametry konfiguracji oscyloskopu (czułość pionowa, stosunek sygnału, sprzężenie i podstawa czasu) są niezbędne do wykonywania tych obliczeń "uwagi ukryte"> Uwagi:

Obliczanie cyklu pracy powinno być łatwe. Obliczanie rozpraszania mocy ładunku wymaga pewnej refleksji. Jeśli twoi uczniowie nie wiedzą, jak obliczyć średnią moc, zasugeruj ten eksperyment myślowy: obliczenie rozproszenia mocy przy 0% cyklu pracy, przy cyklu pracy 100% i przy 50% cyklu pracy. Związek między cyklem pracy a średnim rozpraszaniem mocy jest raczej intuicyjny, jeśli wziąć pod uwagę te warunki.

Jeśli wymagane jest bardziej rygorystyczne podejście w celu zaspokojenia zapytań studentów, możesz chcieć przedstawić inny eksperyment myślowy: obliczyć energię (w jednostkach dżulów) dostarczoną do obciążenia dla 50% cyklu pracy, przypominając, że Watts równa się dżulom na sekundę. Średnia moc obliczana jest przez podzielenie dżulów przez sekundy w okresie jednego lub kilku całych przebiegów. Z tego powodu liniowa zależność pomiędzy cyklem pracy a średnim rozpraszaniem mocy powinna być jasna.

Pytanie 17

Rezystancyjne obciążenie DC odbiera modulowaną szerokość impulsu (PWM) z obwodu kontrolera, a oscyloskop pokazuje przebieg napięcia obciążenia jako taki:

Oblicz cykl roboczy tego kształtu fali, a także średnią moc rozpraszaną przez obciążenie przy założeniu rezystancji obciążenia 10, 3 Ω.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Cykl roboczy ≈ 58, 3%

Średnia P ≈ 80 W

Pytanie uzupełniające: jakie parametry konfiguracji oscyloskopu (czułość pionowa, stosunek sygnału, sprzężenie i podstawa czasu) są niezbędne do wykonywania tych obliczeń "uwagi ukryte"> Uwagi:

Obliczanie cyklu pracy powinno być łatwe. Obliczanie rozpraszania mocy ładunku wymaga pewnej refleksji. Jeśli twoi uczniowie nie wiedzą, jak obliczyć średnią moc, zasugeruj ten eksperyment myślowy: obliczenie rozproszenia mocy przy 0% cyklu pracy, przy cyklu pracy 100% i przy 50% cyklu pracy. Związek między cyklem pracy a średnim rozpraszaniem mocy jest raczej intuicyjny, jeśli wziąć pod uwagę te warunki.

Jeśli wymagane jest bardziej rygorystyczne podejście w celu zaspokojenia zapytań studentów, możesz chcieć przedstawić inny eksperyment myślowy: obliczyć energię (w jednostkach dżulów) dostarczoną do obciążenia dla 50% cyklu pracy, przypominając, że Watts równa się dżulom na sekundę. Średnia moc obliczana jest przez podzielenie dżulów przez sekundy w okresie jednego lub kilku całych przebiegów. Z tego powodu liniowa zależność pomiędzy cyklem pracy a średnim rozpraszaniem mocy powinna być jasna.

Pytanie 18

Obwód oscylatora na tym schemacie generuje falę prostokątną z regulowanym cyklem roboczym:

Student pragnie wykorzystać ten obwód jako podstawę dla regulatora mocy o modulacji szerokości impulsu (PWM), aby zmieniać moc dostarczaną do obciążenia DC. Ponieważ obwód oscylatora jest zbudowany w celu generowania słabych sygnałów i nie dostarcza mocy bezpośrednio do obciążenia, uczeń dodaje MOSFET mocy, aby przełączać duże prądy obciążenia:

Korelować cykl roboczy sygnału wyjściowego oscylatora z mocą silnika. Innymi słowy, opisz, w jaki sposób wzrosty i spadki w cyklu obciążenia sygnału wpływają na ilość mocy dostarczanej do silnika elektrycznego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Im większy jest cykl roboczy, tym więcej mocy jest dostarczane do silnika.

Pytanie uzupełniające: w jaki sposób zaleca się określenie odpowiedniej częstotliwości oscylatora dla tego obwodu sterującego silnika "Uwagi ukryte"> Uwagi:

Jako przegląd, poproś uczniów o określenie, jaki typ MOSFET to jest (typ kanału i tryb wyczerpania lub ulepszenia) i jaka powinna być właściwa amplituda sygnału oscylatora, aby przemieścić MOSFET na przemian między odcięciem a nasyceniem.

Pytanie 19

Wyjaśnij, dlaczego ważne jest, aby tranzystor (-y) mocy końcowej (-ych) w obwodzie sterowania mocą PWM działał przy pełnym odcięciu i pełnym nasyceniu, a nie w trybie liniowym (aktywnym) pomiędzy tymi dwoma skrajnościami. Co może się zdarzyć, jeśli tranzystor (-y) mocy będzie mniejszy niż odcięcie lub mniej niż nasycony przy przenoszeniu prądu obciążenia?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Straty mocy tranzystora wzrosną, jeśli będą działać w "liniowym" zakresie działania, a nie będą całkowicie odcięte lub nasycone. Zmniejsza to jego żywotność, a także efektywność energetyczną obwodu.

Uwagi:

Przejrzyj ze swoimi uczniami, co to znaczy, że tranzystor ma być "odcięty" lub "nasycony", jeśli nie znają tych terminów lub jeśli minęło trochę czasu, odkąd się tego nauczyli. Wyraźne zrozumienie tej koncepcji jest kluczowe dla tego, że są w stanie zrozumieć efektywność sterowania mocą PWM.

Pytanie 20

Jeżeli sygnał modulowany szerokością impulsu (PWM) jest wysyłany do pasywnego obwodu integratora z obwodu zdolnego zarówno do zasilania, jak i do obniżania prądu (jak ma to miejsce w przypadku wyjściowego stopnia podwójnego MOSFET), wyjście będzie napięcie stałe (z trochę marszczenia):

Określić zależność między cyklem roboczym sygnału PWM a napięciem wyjściowym DC przez integrator. Co to oznacza w przypadku PWM jako sposobu przekazywania informacji, takich jak dane analogowe z urządzenia pomiarowego "# 20"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Istnieje bezpośredni proporcjonalny związek pomiędzy cyklem pracy i napięciem wyjściowym DC w tym obwodzie, co umożliwia sygnałowi PWM reprezentowanie danych analogowych.

Pytanie kontrolne nr 1: dlaczego ważne jest, aby obwód generujący sygnał PWM dla integratora był w stanie zarówno pobierać prąd jak i prąd?

Pytanie kontrolne nr 2: co należałoby zrobić, aby zmniejszyć napięcie tętnienia na wyjściu integratora?

Uwagi:

Chociaż uczniom nie powinno być trudno dostrzec związek między cyklem pracy a napięciem wyjściowym DC, zastosowanie tego stosunku do komunikacji danych może być trudne dla niektórych uczniów, zwłaszcza na własną rękę. Konieczne może być dalsze opracowanie z Twojej strony.

Doskonałym przykładem zastosowania tej zasady jest generowanie napięcia analogowego przez 1-bitowy obwód cyfrowy. Ta technika jest przydatna w systemach mikrokontrolerów, w których porty wyjściowe mogą być rzadkie, pod warunkiem, że napięcie tętnienia (lub powolna reakcja) nie stanowi problemu.

Pytanie 21

Wykreślić, jak będzie wyglądać widmo częstotliwości czystej (niezniekształconej) fali sinusoidalnej 1 MHz:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

To pytanie bada wiedzę uczniów na temat widm częstotliwości i skal logarytmicznych. Zauważ, że przy czystej fali sinusoidalnej istnieje tylko jeden pik w spektrum częstotliwości.

Pytanie 22

Określić widmo częstotliwościowe dla sygnału "nośnej" fali sinusoidalnej, który jest modulowany amplitudowo (AM) przez sygnał sinusoidalnej częstotliwości akustycznej, jak pokazano na poniższym schemacie blokowym:

Widma dla poszczególnych przebiegów przedstawiono indywidualnie:

Wykreśl zmodulowane widmo sygnału tutaj:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: jeśli sygnał modulujący (audio) zostałby zwiększony częstotliwościowo, jakie widma pasma bocznego wykonałyby "notatki ukryte"> Uwagi:

Celem tego pytania jest sprawienie, by uczniowie rozpoznali, skąd pochodzą pasma boczne i jak odnoszą się do widma częstotliwości fali nośnej modulowanej amplitudą.

W przypadku, gdy ktoś zapyta, symetryczne umiejscowienie wstęg bocznych wokół nośnika na spektrum odpowiedzi implikuje liniową skalę częstotliwości.

Pytanie 23

Określić widmo częstotliwościowe dla sygnału "nośnej" fali sinusoidalnej, który jest modulowany amplitudowo (AM) za pomocą sygnału o częstotliwości akustycznej z własnym widmem. Widma dla poszczególnych przebiegów przedstawiono indywidualnie:

Wykreśl zmodulowane widmo sygnału tutaj:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Celem tego pytania jest umożliwienie uczniom rozpoznania, skąd się biorą sidebands i rozpoznanie ich symetrii na temat szczytów nośnych.

W przypadku, gdy ktoś zapyta, równe skalowanie wstęg bocznych wokół nośnika na spektrum odpowiedzi implikuje liniową skalę częstotliwości.

Pytanie 24

Ważnym pomiarem przebiegów impulsowych jest cykl pracy . Podaj dokładny. definicja matematyczna dla tego terminu.

Napisz także rozwiązanie równania dla szerokości impulsu przy danym cyklu pracy (D) i częstotliwości (f).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Cykl roboczy" jest miarą przebiegu impulsowego w czasie w stosunku do jego całkowitego czasu (okresu):

D = t na


t ogółem

Pozwolę ci wymyślić, jak napisać rozwiązanie równania dla szerokości impulsu (t on ) w zakresie cyklu pracy i częstotliwości.

Uwagi:

Cykl roboczy jest bardzo ważną koncepcją, ponieważ informacje analogowe mogą być przenoszone przez zmienny cykl roboczy w przeciwnym razie cyfrowy przebieg impulsowy. Przedyskutuj tę aplikację ze swoimi uczniami, jeśli pozwala na to czas.

Pytanie 25

Określić cykl roboczy tego sygnału prostokątnego:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Cykl roboczy ≈ 38%

Uwagi:

To pytanie rzuca wyzwanie uczniom, aby zastosowali swoją wiedzę z zakresu cyklu pracy do scenariusza pomiarowego.

Pytanie 26

Określić cykl roboczy tego sygnału prostokątnego:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Cykl roboczy ≈ 30%

Uwagi:

To pytanie rzuca wyzwanie uczniom, aby zastosowali swoją wiedzę z zakresu cyklu pracy do scenariusza pomiarowego.

Pytanie 27

Jak zareagowałby silnik prądu stałego z magnesem trwałym, gdyby przełącznik w tym obwodzie był wielokrotnie zamykany i otwierany z bardzo wysoką częstotliwością "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01104x01.png ">

Obróciłby się z pełną prędkością, tak samo, jakby przełącznik był cały czas zamknięty? Czy w ogóle się obróci? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Silnik obraca się z pewną prędkością mniejszą niż pełna prędkość.

Pytanie uzupełniające: wyjaśnij, w jaki sposób można wykorzystać tę ogólną zasadę do kontrolowania prędkości silnika elektrycznego.

Uwagi:

Ponieważ obwód w tym pytaniu zawiera ogólną zasadę sterowania mocą, dobrze byłoby przeciwstawić go innym formom sterowania mocą. Zapytaj swoich uczniów, jak ich zdaniem ta metoda kontroli porównuje się do ustawiania zmiennej oporu w szeregu z silnikiem. Czy metoda "przełączania" jest bardziej lub mniej wydajna?

Pytanie 28

Rezystancyjne obciążenie DC odbiera modulowaną szerokość impulsu (PWM) z obwodu kontrolera, a oscyloskop pokazuje przebieg napięcia obciążenia jako taki:

Oblicz cykl roboczy tego kształtu fali, a także średnią moc rozpraszaną przez obciążenie przy założeniu rezystancji obciążenia 2, 5 Ω.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Cykl roboczy ≈ 42%

Średnia P ≈ 1, 5 W

Pytanie uzupełniające: jakie parametry konfiguracji oscyloskopu (czułość pionowa, stosunek sygnału, sprzężenie i podstawa czasu) są niezbędne do wykonywania tych obliczeń "uwagi ukryte"> Uwagi:

Obliczanie cyklu pracy powinno być łatwe. Obliczanie rozpraszania mocy ładunku wymaga pewnej refleksji. Jeśli twoi uczniowie nie wiedzą, jak obliczyć średnią moc, zasugeruj ten eksperyment myślowy: obliczenie rozproszenia mocy przy 0% cyklu pracy, przy cyklu pracy 100% i przy 50% cyklu pracy. Związek między cyklem pracy a średnim rozpraszaniem mocy jest raczej intuicyjny, jeśli wziąć pod uwagę te warunki.

Jeśli wymagane jest bardziej rygorystyczne podejście w celu zaspokojenia zapytań studentów, możesz chcieć przedstawić inny eksperyment myślowy: obliczyć energię (w jednostkach dżulów) dostarczoną do obciążenia dla 50% cyklu pracy, przypominając, że Watts równa się dżulom na sekundę. Średnia moc obliczana jest przez podzielenie dżulów przez sekundy w okresie jednego lub kilku całych przebiegów. Z tego powodu liniowa zależność pomiędzy cyklem pracy a średnim rozpraszaniem mocy powinna być jasna.

Pytanie 29

Rezystancyjne obciążenie DC odbiera modulowaną szerokość impulsu (PWM) z obwodu kontrolera, a oscyloskop pokazuje przebieg napięcia obciążenia jako taki:

Oblicz cykl roboczy tego kształtu fali, a także średnią moc rozpraszaną przez obciążenie przy założeniu rezystancji obciążenia 40, 7 Ω.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Cykl roboczy ≈ 71, 4%

Średnia P 344 W

Pytanie uzupełniające: jakie parametry konfiguracji oscyloskopu (czułość pionowa, stosunek sygnału, sprzężenie i podstawa czasu) są niezbędne do wykonywania tych obliczeń "uwagi ukryte"> Uwagi:

Obliczanie cyklu pracy powinno być łatwe. Obliczanie rozpraszania mocy ładunku wymaga pewnej refleksji. Jeśli twoi uczniowie nie wiedzą, jak obliczyć średnią moc, zasugeruj ten eksperyment myślowy: obliczenie rozproszenia mocy przy 0% cyklu pracy, przy cyklu pracy 100% i przy 50% cyklu pracy. Związek między cyklem pracy a średnim rozpraszaniem mocy jest raczej intuicyjny, jeśli wziąć pod uwagę te warunki.

Jeśli wymagane jest bardziej rygorystyczne podejście w celu zaspokojenia zapytań studentów, możesz chcieć przedstawić inny eksperyment myślowy: obliczyć energię (w jednostkach dżulów) dostarczoną do obciążenia dla 50% cyklu pracy, przypominając, że Watts równa się dżulom na sekundę. Średnia moc obliczana jest przez podzielenie dżulów przez sekundy w okresie jednego lub kilku całych przebiegów. Z tego powodu liniowa zależność pomiędzy cyklem pracy a średnim rozpraszaniem mocy powinna być jasna.

Pytanie 30

W jaki sposób regulacja mocy modulacji szerokości impulsu jest podobna do formy kontroli wywieranej przez TRIAC i SCR w obwodach prądu przemiennego? Czym się różni?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Podobnie jak w PWM, obwody sterowania zasilaniem AC za pomocą urządzeń TRIAC i SCR modulują moc, kontrolując ilość czasu, w którym obciążenie otrzymuje moc ze źródła.

Uwagi:

Porozmawiaj ze swoimi uczniami o podobieństwach i różnicach między tymi dwoma formami kontroli mocy opartej na czasie. Oczywiście, PWM jest bardziej wyrafinowany niż naturalnie komutowane systemy sterowania SCR i TRIAC, ale jest również bardziej złożony, a zatem prawdopodobnie bardziej podatny na uszkodzenia.

Pytanie 31

Modulacja gęstości impulsu (PDM) jest ściśle związana z modulacją szerokości impulsu (PWM). Opisz podobieństwa i różnice we własnych słowach.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

PWM to prawdziwie analogowy format modulacji, w którym PDM jest naprawdę cyfrowy. Innymi słowy, rozdzielczość PWM jest nieskończona, podczas gdy rozdzielczość PDM jest skończona.

Uwagi:

Należy zauważyć, że albo strumień impulsów można przekształcić w napięcie analogowe przez filtrowanie dolnoprzepustowe, co czyni oba z tych formatów modulacji bardzo przydatnymi.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →