MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Bogumiła Maj
Badanie układów transmisji sygnałów
311[07].Z2.04
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2006
,,Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
Recenzenci:
mgr inż. Elżbieta Majka
mgr inż. Anna Niczyporuk
Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Danuta Pawełczyk
Konsultacja:
mgr inż. Gabriela Poloczek
Korekta:
mgr inż. Urszula Ran
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[07].Z2.04
Badanie układów transmisji sygnałów - zawartego w modułowym programie nauczania dla
zawodu technik elektronik.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2006
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
1
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie 3
2. Wymagania wstępne 5
3. Cele kształcenia 6
4. Materiał nauczania 7
4.1. Transmisja informacji 7
4.1.1. Materiał nauczania 7
4.1.2. Pytania sprawdzające 13
4.1.3. Ćwiczenia 14
4.1.4. Sprawdzian postępów 17
4.2. Układy transmisji sygnałów cyfrowych 18
4.2.1. Materiał nauczania 18
4.2.2. Pytania sprawdzające 23
4.2.3. Ćwiczenia 23
4.2.4. Sprawdzian postępów 25
4.3. Technika światłowodowa 26
4.3.1. Materiał nauczania 26
4.3.2. Pytania sprawdzające 28
4.3.3. Ćwiczenia 28
4.3.4. Sprawdzian postępów 29
5. Sprawdzian osiągnięć 30
6. Literatura 35
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
2
1. WPROWADZENIE
Jednostka modułowa 311[07].Z2.04 - Badanie układów transmisji sygnałów , której treść teraz
poznasz jest jedną z jednostek poszerzających jednostkę modułową ogólnozawodową -
311[07].02.02- Montowanie układów cyfrowych i pomiary ich parametrów , i umożliwia wraz
z pozostałymi jednostkami modułu zawodowego 311[07].Z2 - Badanie układów cyfrowych ,
ukształtowanie umiejętności konfigurowania układów cyfrowych z uwzględnieniem fizycznych
połączeń pomiędzy układami schemat str. 4.
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o budowie i zasadzie działania typowych
układów transmisji sygnałów oraz sposobach ich badania.
Poradnik ten zawiera:
1. Wymagania wstępne, czyli wykaz niezbędnych umiejętności i wiadomości, które
powinieneś mieć opanowane, aby przystąpić do realizacji tej jednostki modułowej.
2. Cele kształcenia tej jednostki modułowej.
3. Materiał nauczania (rozdział 4), który umożliwia samodzielne przygotowanie się do
wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Do poszerzenia wiedzy wykorzystaj
wskazaną literaturę oraz inne zródła informacji.
4. Zestaw ćwiczeń do każdej partii materiału, które zawierają:
pytania sprawdzające wiedzę potrzebną do wykonania ćwiczenia,
wykaz materiałów i sprzętów potrzebnych do realizacji ćwiczenia,
sprawdzian umiejętności praktycznych.
5. Zestaw pytań umożliwiający sprawdzenie poziomu wiedzy po wykonaniu ćwiczeń.
Wykonując sprawdzian postępów powinieneś odpowiadać na pytanie tak lub nie, co
oznacza, że opanowałeś materiał albo nie. Jeżeli masz trudności ze zrozumieniem tematu lub
ćwiczenia, to poproś nauczyciela lub instruktora.
6. Sprawdzian osiągnięć - przykładowy zestaw zadań sprawdzających Twoje opanowanie
wiedzy i umiejętności z zakresu całej jednostki. Zaliczenie tego ćwiczenia jest dowodem
osiągnięcia umiejętności określonych w tej jednostce modułowej.
7. Literaturę uzupełniającą.
Bezpieczeństwo i higiena pracy
W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów bhp i higieny pracy
oraz instrukcji przeciwpożarowych, wynikających z rodzaju wykonywanych prac. Przepisy te
poznałeś już częściowo w trakcie nauki, a częściowo poznasz realizując program tej jednostki.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
3
311[07].Z2
BADANIE UKAADÓW
CYFROWYCH
311[07].Z2.01
Badanie podstawowych układów
cyfrowych
311[07].Z2.02 311[07].Z2.03
311[07].Z2.04
Badanie układów Badanie układów Badanie układów
uzależnień czasowych sprzęgających
transmisji sygnałów
Schemat modułu 311[07].Z2 Badanie układów cyfrowych
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
4
2. WYMAGANIA WSTPNE
Przed przystąpieniem do realizacji jednostki modułowej powinieneś umieć:
charakteryzować podstawowe parametry i funkcje funktorów logicznych,
charakteryzować podstawowe parametry układów wykonanych w technologii TTL
i CMOS
montować i uruchamiać proste układy cyfrowe na podstawie schematów ideowych,
lokalizować uszkodzenia w układach na podstawie wyników pomiarów.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
5
3. CELE KSZTAACENIA
Po zrealizowaniu procesu kształcenia będziesz umieć:
- scharakteryzować zjawiska związane z przesyłaniem sygnałów cyfrowych na różne
odległości,
- połączyć układy nadajników i odbiorników linii,
- zlokalizować uszkodzenia w układach transmisji sygnałów na podstawie wyników
pomiarów,
- zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy podczas pomiarów elektrycznych,
- skorzystać z katalogów oraz innych zródeł informacji.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
6
4. MATERIAA NAUCZANIA
4.1. Transmisja informacji
4.1.1. Materiał nauczania
Większość występujących w przyrodzie wielkości fizycznych (ciśnienie, temperatura,
oświetlenie itp.) ma charakter ciągły, tzn. analogowy, jednak część z nich, ze względów
praktycznych, zamieniana jest na postać cyfrową.
Rys.1. Analogowa i cyfrowa prezentacja informacji (różnych) [6,s.6]
Informacja może być przesyłana na odległość w postaci sygnałów wytworzonych przez
elektryczność, fale radiowe lub światło. Stosuje się dwie techniki transmisji sygnałów pierwsza
wykorzystuje analogową reprezentacje sygnałów, druga reprezentację cyfrową.
Transmisja analogowa polega na przesyłaniu, w najprostszym przypadku, fali sinusoidalnej
o określonej amplitudzie, częstotliwości i fazie. Złożone przebiegi analogowe, takie jak dzwięk,
obraz itp., składają się z sygnałów o wielu różnych częstotliwościach, amplitudach i fazach.
Transmisja cyfrowa w najprostszym przypadku oznacza przesyłanie ciągu impulsów
dwustanowych 0/1, zwanych bitami. Możliwe jest przesyłanie informacji analogowej za pomocą
linii cyfrowych, jak i przesyłanie informacji cyfrowych liniami analogowymi, ale wymaga to
przekształcania sygnałów analogowych na cyfrowe lub odwrotnie Rys.2.
Rys.2. Analogowy lub cyfrowy przekaz danych [6,s.10]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
7
Transmisja danych liniami analogowymi napotyka na trudności ograniczające jej użyteczność,
ponieważ szybkość transmisji (przepływność) jest ograniczona szerokością pasma przenoszenia,
a dodatkowo sygnał analogowy przesyłany na dalszą odległość musi być okresowo wzmacniany.
Niestety, równocześnie wzmacniane są zniekształcenia występujące w torze Rys.3. Transmisje
cyfrowe charakteryzują się większym stopniem niezawodności niż analogowe, zwłaszcza na
dłuższych dystansach. Ponadto, jeśli jest taka konieczność, sygnał może być regenerowany
cyfrowo, bez wzmacniania zniekształceń.
Rys.3. Wpływ zakłóceń kanału na informację (analogowa i cyfrową) [6,s.75]
Aby możliwe było przesłanie informacji, konieczne jest istnienie medium, które te
informacje przeniesie. Media transmisyjne umożliwiają fizyczne rozchodzenie się fal
akustycznych, elektrycznych, radiowych i świetlnych. Można je podzielić na dwie główne
grupy: media kablowe i media bezprzewodowe Rys.4. W poradniku zajmiemy się tylko
mediami przewodowymi.
Rys.4. Media transmisyjne [6,s.28]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
8
Porównując właściwości transmisji analogowej i cyfrowej można stwierdzić, że to informacja
cyfrowa niezależnie od tego, w jaki sposób powstała, czy naturalnie, czy w wyniku kwantyzacji
wielkości analogowej, bardziej nadaje się do transportu.
W dotychczasowych analizach zakładaliśmy, że sygnały cyfrowe są przesyłane między
układami scalonymi bez zakłóceń. Jednak przy wzroście szybkości zmian sygnałów nie można
pominąć zniekształceń wynikających z istnienia przewodów łączących, gdyż przewody
doprowadzające stają się złożonymi strukturami charakteryzującymi się rezystancją,
pojemnością i indukcyjnością, a nie tylko zwykłym zwarciem. Jako regułę można przyjąć, że
przewody nie mogą być traktowane jako zwarcia w sytuacji, gdy długość fali przesyłanego
sygnału staje się porównywalna z długością przewodu, np. przy częstotliwości 20 MHz długość
fali wynosi (c - prędkość fali elektromagnetycznej w próżni, f częstotliwość sygnału) :
c
= = 15 [m ]
f
Ponieważ trudno jest podać długości fal zawartych w przebiegu impulsowym, wygodniejsze jest
przyjęcie zależności od czasu. Jeżeli czas rozchodzenia się fali napięcia wzdłuż przewodu staje
się porównywalny z czasem narastania lub opadania impulsu, to na pewno nie można pominąć
opóznienia w układzie. Przeciętnie należy przyjąć, że tego rodzaju połączenia nie powinny być
dłuższe niż 10 cm na każdą nanosekundę czasu narastania, a jeśli przekroczy się tę długość,
mogą wystąpić tłumione drgania, odbicia lub zniekształcenia kształtu impulsów. Jeżeli odległość
między zródłem i obciążeniem wynosi 1m, a przesyłany impuls ma długość 1 ns i czas trwania
zboczy 0,1 ns (Rys.5), to czas opóznienia wnoszony przez linię wynosi (s droga, v prędkość):
s 1
td = = = 3,33[ns]
v 3"108
Oznacza to, że impuls wyjściowy pojawi się dopiero po czasie 3,33 ns, czyli po czasie 33 razy
dłuższym niż czas trwania zbocza i kilkakrotnie dłuższym niż szerokość impulsu wejściowego.
Rys.5. Opóznianie impulsów w linii opózniającej dopasowanej na obu końcach: a) schemat; b) przebieg napięcia u1;
c) przebieg napięcia u1 i u2 [5,s.95]
Jeśli impuls miałby inne parametry, np. czas trwania 1 źs i czas narastania zboczy 0,1 źs, to
opóznienie jego przesyłania byłoby właściwie nieistotne, bo w czasie kilku ns impuls wejściowy
niewiele się zmienia, co oznacza, że linia o długości 1 m nie wprowadza dla takiego impulsu
znaczącego opóznienia. W związku z tym, taką linię należy traktować raz jako element
wprowadzający opóznienie tzw. linię długą, a w innym przypadku nie, chociaż tego typu linia
dwuprzewodowa zawsze wnosi opóznienie równe 3,33 ns. Przewody takie można zastąpić
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
9
modelem złożonym z elementów R, L i C. Najprostszy schemat zastępczy odcinka linii
opózniającej jednorodnej tzn. posiadającej na całej długości jednakowe właściwości fizyczne
przedstawia Rys.6a. Zawiera on tzw. elementy skupione R, L, C i G, a czas, jaki jest potrzebny
na pokonanie jednostkowego odcinka linii "x jest znacznie mniejszy od czasu trwania
najszybszego rozpatrywanego sygnału.
Rys.6. Schemat zastępczy elementarnych odcinków linii: a) pełny symetryczny; b) uproszczony asymetryczny; c)
uproszczony linii bezstratnej [5,s.96]
Rezystancja R jest to rezystancja jednostkowej długości linii, reprezentująca straty
w przewodach linii spowodowane efektem naskórkowości i stratami cieplnymi.
Indukcyjność L dla jednostkowej długości "x odzwierciedla pole magnetyczne przewodów linii
i uwzględnia indukcyjność wzajemną przewodów.
Pojemność C dla jednostkowej długości reprezentuje pole elektryczne pomiędzy przewodami
linii.
Przewodność G linii o długości "x zastępuje straty w dielektryku.
Najpowszechniej stosowana w obliczeniach jest linia bezstratna, tzn. R=0, G=0 Rys.6c.
Określając prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w linii zależnością
1 1 m
ł łł
v = =
gdzie ź=ź0źr, =0r ,
ł śł
LC ź s
ł ł
1 m
ł łł c m
ł łł
dla otrzymujemy
c =
v =
ł śł
ł śł
ź s
ł ł
s
0 0 ź ł ł
r r
Obliczając jednostkowe opóznienie linii tj można następnie obliczyć opóznienie linii o długości l
td , wg wzorów:
l
" x
t = = l " t [s ]
t = [s ]
j
d j
v
v
Ponieważ źr stosowanych przewodów jest równe jedności, a r ma wartość od jeden do kilku to
jednostkowe opóznienia linii wynoszą od dwóch do nieco ponad trzech nanosekund na metr.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
10
Parametry jednostkowe linii L i C zależą od jej wymiarów i konstrukcji. W technice impulsowej
wykorzystywane są:
linie dwuprzewodowe,
linie koncentryczne,
linie paskowe.
Każda z nich ma nieco inne wartości indukcyjności jednostkowej L (Hm-1) i pojemności
jednostkowej (Fm-1) Rys.7.
- dla linii dwuprzewodowej:
Ą
ź d
0 C = [F],
L = ln [H],
d
Ą a
ln
a
d odległość między przewodami,
a promień przewodu, d >>a
- dla linii koncentrycznej:
ź
d
0 2Ą
L = ln [H],
C = [F],
2Ą a d
ln
a
d promień przewodu zewnętrznego,
a - promień przewodu wewnętrznego,
- dla linii paskowej:
r
r Z0
C = [F],
L = [H]
8
3 " 10 Z
0
3"108
104
Z0 = [&!]
w
3 r [7 + 8,83 ]
dla w > b
b
Rys.7. Przykłady uproszczonych konstrukcji linii:
a) dwuprzewodowej symetrycznej;
b) koncentrycznej; c) paskowej [5,s.98]
L
Z = [&!]
Wielkość jest nazywana impedancją charakterystyczną lub falową linii
C
bezstratnej.
Właściwości linii z punktu widzenia przenoszenia impulsów to opóznienie i impedancja falowa.
Parametry te stają się istotne, jeśli czas trwania zmian sygnału jest znacznie mniejszy od
opóznienia linii, natomiast dla sygnałów wolnozmiennych i dla prądu stałego linia przenosząca
sygnał może być traktowana jak zwykłe odcinki przewodów doprowadzających lub zwarcie.
Zachowanie się linii pobudzanej impulsami zależy od tego jaka jest rezystancja obciążenia
- Rys.8.
Rys.8. Schemat linii dopasowanej na końcu [5,s.100]
Przyjmuje się, że impuls wejściowy to tzw. skok jednostkowy, czyli impuls posiadający
nieskończenie krótkie czoło (narastanie), ale nieskończenie długi czas trwania. Badając
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
11
zachowanie linii wystarczy analizować przebiegi w kilku chwilach: w chwili 0+ - tzn. w chwili,
gdy zmieni się napięcie na generatorze, w td gdy fale napięcia i prądu osiągną koniec linii
oraz w chwilach 2td, 3td itd. Jeśli rezystancja obciążenia spełnia warunek R0=Z0, to cała energia
impulsu zostanie wydzielona w obciążeniu i będzie spełniony warunek wynikający z prawa
Ohma. Jeżeli jednak linia nie będzie dopasowana, to pojawią się odbicia sygnału od odbiornika
i zniekształcenia Rys. 9.
W chwili 0+, gdy na generatorze nastąpi zmiana wartości
siły elektromotorycznej od 0 do EG, to na wejściu linii
pojawi się napięcie:
Z0 1
u1+ = EG = EG[V]
Z0 +Rg 2
i prąd
+
u 1 E
1
G
i1+ = = [A]
Z0 2 Z0
Takie samo napięcie u1+ będzie na rezystancji Rg. Fala
napięcia u1+ i prądu i1+ będzie przemieszczać się w linii od
zacisków 1-1 do zacisków 2-2 (Rys.9b), w każdym punkcie
spełniając warunek
+
u 1
Z0 = [&!].
i1+
W chwili t=td fale te dotrą do końca linii, czyli linia
przeniesie energię impulsu do obciążenia. Gdyby linia była
dopasowana tzn. R0=Z0 to cała energia zostałaby przekazana
do obciążenia i spełniony byłby warunek
+
u
1
R = [&! ]
0
+
i
1
W przykładzie na Rys.9 rozpatrzono przypadek, gdy
rezystancja obciążenia R0 jest mniejsza od impedancji
falowej linii Z0. Oznacza to, że napięcie na obciążeniu, po
dotarciu do niego fali bieżącej, w chwili t=td, jest mniejsze
od napięcia fali padającej. Różnica napięć
Rys.9. Odbicia w linii niedopasowanej na końcu
zostaje odbita w postaci fali napięcia
R0
i powraca w kierunku generatora odejmując
t<napięcia w linii dla t=td; e) przebieg napięcia w linii tuż się od fali padającej. Dla fali odbitej
po powstaniu fali odbitej 2td>t>td; f) przebieg napięcia
spełniony jest analogiczny warunek jak dla
w linii tuż przed ustaleniem się końcowego rozkładu
fali padającej
-
ttd; g) przebiegi napięć eg, u11 i u22. [5,s.100] u
1
Z = [&! ].
0 -
i1
Po czasie 2td, gdy fala dociera do generatora, nie następuje ponowne odbicie, ponieważ Rg=Z0,
tylko cała energia przeniesiona przez linię wydziela się w postaci ciepła. Gdyby tak nie było tzn.
gdyby Rg `" Z0, należałoby określić falę odbitą od generatora do obciążenia itd. Po nieskończenie
długim czasie i przy linii bezstratnej, ustaliłoby się napięcie wyjściowe u22 = u11 określone tylko
podziałem napięcia wynikającym z wielkości rezystancji R0 i Rg. Rozważając linię
niedopasowaną, np. Z0=100, R0=150, sterowaną ze zródła siły elektromotorycznej Eg=10V o
rezystancji wewnętrznej Rg=50 możemy określić współczynniki odbicia dla początku i końca
Rg - Z0 50 -100 Rg - Z0 150 -100
linii g = = = -0,33 , 0 = = = 0,2.
Rg + Z0 50 +100 Rg + Z0 150 +100
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
12
Pozwala to na obliczenie wartości napięć na wejściu i wyjściu w chwilach czasowych td, 2 td, 3td
itd. Po włączeniu zasilania w układzie na początku linii powstaje fala o napięciu
EgZ0
u1 = = 6,67[V], która po czasie td dojdzie do końca i odbije się w kierunku wejścia.
Zo +Rg
Ponieważ fala odbita będzie miała napięcie Egś0= 1,34V (współczynnik odbicia na końcu linii
wynosi +0,2), to napięcie na wyjściu będzie wyższe i wyniesie
u1= Eg+ Egś0= 6,67+0,26,67=8V.
Fala odbita po czasie 2 td dotrze do początku linii i z powodu niedopasowania odbije się znowu,
a jej amplituda wyniesie 1,34 (-0,33)= -0,44V.
W związku z tym, po czasie 2 td, napięcie na początku linii wyniesie
u2= 6,67+1,33-0,44=7,56V.
Postępując analogicznie można obliczyć wartości napięć na początku i końcu linii po czasach
3td, 4td, 5td itd. Dla chwili 3td napięcie na wyjściu wynosi 7,47V, po czasie 4td napięcie na
wejściu wynosi 7,5V, a po 5td na wyjściu osiąga stan ustalony, ok.7,5V.
W podobny sposób można rozpatrywać inne stany linii: zwarcie, rozwarcie oraz różne
stopnie dopasowania. Przedstawiony sposób pozwala określić zjawiska zachodzące w linii
pobudzanej impulsowo i przewidzieć wartości napięć i prądów w zależności od impedancji linii
i rezystancji obciążenia. Rozważając w analogiczny sposób np. linię zwartą na końcu, łatwo
można stwierdzić, że ponieważ R0=0, to po czasie td cały impuls odbije się i powróci do
wejścia, gdzie cała energia wydzieli się w postaci ciepła na rezystancji generatora. Pobudzenie
linii impulsem skokowym o nieskończonym czasie trwania powoduje, że na rezystancji
generatora powstaje impuls o skończonym czasie trwania, o długości równej 2td, czyli
podwójnego opóznienia wnoszonego przez linię. Aby dokładnie omówić zjawiska związane
z przesyłaniem sygnałów liniami długimi oraz określaniem warunków pracy tych linii
niezbędne są omówione wcześniej pojęcia: impedancja falowa , opóznienie jednostkowe, fala
padająca, fala odbita, dopasowanie linii na wejściu (Rg = Z0), dopasowanie linii na wyjściu
(R0=Z0), itd. Inny sposób analizy zjawisk związanych z przenoszeniem impulsów przez linie
opózniające wykorzystuje tzw. wykresy Bergerona i przedstawiony został w pozycji [4]
literatury.
Przedstawione w poradniku problemy wbrew pozorom nie dotyczą tylko układów
wykorzystujących sygnały w.cz., ale istotne są w tzw. technice impulsowej, czyli przy
przesyłaniu impulsów o stromych zboczach tj. w technice cyfrowej oraz przy przełączaniu
elementów elektronicznych: diod, tranzystorów i tyrystorów.
4.1.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Czym różni się informacja w postaci analogowej od informacji w postaci cyfrowej?
2. Jakie są cechy transmisji analogowej, a jakie transmisji cyfrowej?
3. Czy można dane cyfrowe przesyłać analogowo?
4. Kiedy przewody łączące układy scalone trzeba uwzględniać w analizie działania układów?
5. Jakie są parametry linii długiej o stałych skupionych?
6. Co to jest linia bezstratna?
7. Które parametry linii są istotne ze względu na przenoszenie impulsów?
8. Co oznaczają pojęcia: linia dopasowana, linia niedopasowana?
9. Jaki kształt powinny mieć impulsy wyzwalające stosowane w technice cyfrowej?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
13
4.1.2. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Wyznaczanie opóznienia wnoszonego przez linię długą.
Sposób wykonania ćwiczenia:
Ćwiczenie polega na zaobserwowaniu opóznienia wnoszonego przez linie różnego typu:
dwuprzewodową i koncentryczną.
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
1) zapoznać się z rodzajami przewodów łączących stosowanymi do przesyłania sygnałów
pomiędzy układami scalonymi i parametrami linii długiej;
2) obliczyć teoretyczne opóznienie wnoszone przez linie różnego typu o podanej długości;
3) zaobserwować na oscyloskopie sygnał wyjściowy z obu linii po podaniu na wejście impulsu
prostokątnego o czasie trwania co najmniej równym 10 źs ;
4) zaobserwować na oscyloskopie i zmierzyć opóznienia wnoszone przez dopasowane linie:
dwuprzewodową i kabel koncentryczny, wykorzystując generator impulsowy lub generator
sygnałów prostokątnych o krótkim czasie narastania, jako zródło bardzo krótkich impulsów;
5) porównać uzyskane wyniki dla dłuższych i krótkich impulsów z obliczeniami
teoretycznymi;
6) ocenić poprawność wykonania ćwiczenia;
7) sformułować wnioski określające warunki, w których linie przewodowa staje się dla
przenoszonych sygnałów linią długą.
Wyposażenie stanowiska pracy:
linie kablowe dwuprzewodowe i koncentryczne o długości co najmniej kilkunastu metrów,
sprzęt pomiarowy i laboratoryjny: generator regulowany napięcia prostokątnego, generator
impulsowy, oscyloskop,
katalogi materiałów elektronicznych,
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 2
Wyznaczanie tłumienia wnoszonego przez linię długą.
Sposób wykonania ćwiczenia
Ćwiczenie polega na wyznaczeniu tłumienia wnoszonego przez linie dwuprzewodową
i koncentryczną o dużej długości ( ok. 25-30m)
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
1) zapoznać się z rodzajami przewodów łączących stosowanymi do przesyłania sygnałów
pomiędzy układami scalonymi i parametrami linii długiej;
2) zmontować układ pomiarowy podłączając do wejścia jednego przewodu linii wykonanej
ze skrętki generator o regulowanej częstotliwości, a do wyjścia oscyloskop, zastosować
rezystor o odpowiedniej wartości w celu dopasowania linii, drugi przewód skrętki z obu
stron podpiąć do masy;
3) obserwować na oscyloskopie sygnał wyjściowy z linii podając na wejście sygnał
sinusoidalny z generatora, zmierzyć amplitudę sygnału z generatora i sygnału wyjściowego
z linii przy częstotliwości 1 kHz;
4) obserwować przebiegi sygnału wyjściowego z linii zwiększając częstotliwość sygnału
z generatora, zmierzyć amplitudy sygnałów wejściowego i wyjściowego dla różnych
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
14
częstotliwości w zakresie od 1kHz do kilku MHz, zagęścić pomiary, gdy wartość napięcia
wyjściowego zacznie spadać;
5) wykreślić charakterystykę amplitudową kabla na podstawie wyników pomiarów korzystając
z programu Excell, określić zakres częstotliwości sygnałów, dla których skrętka nie
wprowadza zniekształceń przenoszonych sygnałów;
6) wykonać identyczne obserwacje jak w punktach 2-4 wykorzystując kabel koncentryczny;
7) ocenić poprawność wykonania ćwiczenia;
8) sformułować wnioski dotyczące przydatności różnych linii przewodowych do przesyłania
sygnałów o dużych częstotliwościach.
Wyposażenie stanowiska pracy:
linie kablowe dwuprzewodowe i koncentryczne o długości co najmniej 25 metrów,
sprzęt pomiarowy: generator regulowany napięcia sinusoidalnego, generator impulsowy,
oscyloskop,
komputer PC,
oprogramowanie Excell,
katalogi materiałów elektronicznych,
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 3
Analiza zjawisk zachodzących w liniach opózniających dopasowanych
i niedopasowanych, przy różnych stanach wyjścia.
Sposób wykonania ćwiczenia
Ćwiczenie polega na analizie przebiegów prądu i napięcia w liniach opózniających
dopasowanych, przy rozwarciu linii na końcu oraz przy obciążeniu o wartości większej niż
impedancja falowa linii. Dane: EG=10V, Z0=75, td=100ns.
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
1) zapoznać się z rodzajami przewodów łączących stosowanymi do przesyłania sygnałów
pomiędzy układami scalonymi i parametrami linii długiej;
2) zapoznać się z metodą analizy zjawisk zachodzących w liniach opózniających pobudzanych
skokiem jednostkowym;
linia dopasowana na wejściu i na wyjściu:
3) określić przebieg fali padającej i wartość napięcia na obciążeniu i czas po jakim napięcie na
wyjściu ustabilizuje się;
linia dopasowana na wejściu i rozwarta na wyjściu (R0= " ):
4) narysować schemat układu linii korzystając z rysunku z pkt.2;
5) określić przebieg fali padającej i wartość napięcia na wyjściu układu oraz czas po jakim
napięcie na wyjściu ustabilizuje się;
6) określić wartość prądu w układzie w czasie przenoszenia impulsu z wejścia na wyjście;
7) określić charakter impulsu na rezystancji generatora w zadanych warunkach;
linia dopasowana na wejściu i niedopasowana na wyjściu (R0 = 100 ):
8) narysować schemat układu linii korzystając z rysunku z pkt.2;
9) określić przebieg fali padającej i wartość napięcia fali padającej u11 na wyjściu układu;
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
15
10) określić przebieg fali odbitej i wartość napięcia na rezystancji generatora;
11) określić wartość ustaloną napięcia na rezystancji obciążenia i czas po jakim napięcie na
wyjściu ustabilizuje się;
12) sformułować wnioski dotyczące znaczenia dopasowania linii oraz możliwości rozpoznania
uszkodzeń linii (zwarcie, przerwa) na podstawie oczekiwanych i rzeczywistych wartości
napięć w układzie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
papier milimetrowy,
katalogi materiałów elektronicznych,
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 4
Pomiary sygnałów w liniach dopasowanych i niedopasowanych, w stanie zwarcia,
rozwarcia oraz przy R0 `" Z0.
Sposób wykonania ćwiczenia
Ćwiczenie polega na pomiarze sygnałów na wyjściu kabla koncentrycznego o impedancji
falowej 50 &! i długości co najmniej kilkunastu metrów w różnych stanach dopasowania linii na
wyjściu.
Uwaga: Poproś nauczyciela o sprawdzenie układów praktycznych przed włączeniem zasilania.
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
1) zapoznać się z rodzajami przewodów łączących stosowanymi do przesyłania sygnałów
pomiędzy układami scalonymi i parametrami linii długiej;
2) wykorzystując metodę analizy zjawisk zachodzących w liniach opózniających pobudzanych
skokiem jednostkowym przewidzieć wartości napięć na obciążeniu w różnych stanach
dopasowania linii;
3) wykorzystując generator o rezystancji wyjściowej 50 &! (w celu dopasowania linii na
wejściu) i kabel koncentryczny z dołączoną rezystancją 50 &! (linia dopasowana na wyjściu),
zmierzyć napięcie na obciążeniu, zanotować wynik;
4) wykorzystując generator o rezystancji wyjściowej 50 &! (w celu dopasowania linii na
wejściu) i kabel koncentryczny z dołączoną rezystancją większą i mniejszą od 50 &! np.
100&! i 25&! (linia niedopasowana na wyjściu), zmierzyć napięcie na obciążeniu, zanotować
wyniki;
5) zmierzyć wartość napięcia na wyjściu dla linii zwartej i rozwartej na wyjściu, dopasowanej
na wejściu, zanotować wyniki;
6) porównać uzyskane wyniki z przewidywanymi;
7) ocenić poprawność wykonania ćwiczenia;
9) sformułować wnioski określające warunki, w których linia przewodowa nie zniekształca
impulsów.
Wyposażenie stanowiska pracy:
linie kablowe koncentryczne o długości co najmniej kilku metrów,
sprzęt pomiarowy i laboratoryjny: mierniki uniwersalne, generator regulowany napięcia
prostokątnego, generator impulsowy, oscyloskop,
katalogi materiałów elektronicznych,
literatura z rozdziału 6.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
16
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz: Tak Nie
1) określić, czy dane połączenie przewodowe należy traktować jak linię długą? Ą% Ą%
2) określić parametry linii długiej? Ą% Ą%
3) obliczyć opóznienie wnoszone przez linie przewodowe o znanej długości? Ą% Ą%
4) określić wartości przewidywane napięć sygnału wyjściowego dla linii Ą% Ą%
dopasowanych i nie, przy różnych obciążeniach?
5) zaobserwować uzyskane przebiegi na oscyloskopie? Ą% Ą%
6) wyjaśnić różnice pomiędzy obliczeniami teoretycznymi a rzeczywistymi Ą% Ą%
czasami opóznienia impulsów?
7) podać zakresy częstotliwości, dla których różne linie przewodowe nie Ą% Ą%
zniekształcają przenoszonych sygnałów?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
17
4.2. Układy transmisji sygnałów cyfrowych
4.2.1 Materiał nauczania
Sygnały cyfrowe można przesyłać w postaci unipolarnych sygnałów po liniach
jednoprzewodowych ekranowanych lub nieekranowanych albo w postaci sygnałów różnicowych
po dwuprzewodowych symetrycznych liniach przesyłowych. Typowe media przesyłowe to:
ścieżki drukowane, pojedyncze przewody izolowane, skręcona para przewodów tzw. skrętka,
symetryczne linie dwuprzewodowe oraz kabel koncentryczny. Jednostkowe parametry
wybranych mediów traktowanych jako linia długa przedstawia Tabela 1.
Tabela 1. Parametry linii transmisyjnych [2,s.196]
Rodzaj połączenia Impedancja Opóznienie
falowa [&!] [ns/m]
dwa przewody 0,38mm (tzw. skrętka) 110 6,2
obwód drukowany 100 6
kabel koncentryczny 75&! 75 5
kabel koncentryczny 50&! 50 3,9
linia paskowa 170 5,6
Tabela ta uświadamia aktualną skalę problemów związanych z transmisją sygnałów cyfrowych
wynikających z bardzo szybkich zmian przesyłanych sygnałów. Czasy narastania i opadania
zboczy impulsów mogą być krótsze niż czas propagacji sygnału przez przewody, co narzuca
traktowanie przewodów służących do przesyłu szybkich sygnałów jako linii długiej. Typowa
wartość szybkości propagacji sygnału w przewodach wynosi od 13 do 22 cm/ns. Oznacza to, że
przy czasach narastania i opadania zboczy impulsów rzędu 10 ns, już przewodów o długości
50 cm nie można traktować jak zwarcia. Transmisja sygnałów może odbywać się dwoma
sposobami:
za pośrednictwem linii niesymetrycznych,
za pośrednictwem linii symetrycznych.
Transmisja sygnałów cyfrowych liniami niesymetrycznymi
Układy z liniami niesymetrycznymi można stosować do transmisji sygnałów tylko na
niewielkie odległości ze względu na ich wrażliwość na zakłócenia. Mniej wrażliwe, a więc
umożliwiające transmisje na większe odległości są układy wykorzystujące koncentryczne linie
przesyłowe, ale wiąże się to ze wzrostem kosztów. Jednak ograniczenia wynikające
z właściwości tych linii nie pozwalają na uzyskanie odległości większych niż kilkudziesięciu
metrów. Podstawowymi zródłami zakłóceń w urządzeniach elektronicznych są:
sieć zasilająca 50Hz i urządzenia sieciowe,
prądy płynące przewodami masy i ziemi powodujące powstawanie znacznych napięć
między punktami masy różnych urządzeń,
sygnały o krótkich czasach narastania i opadania, powodujące generacje zakłóceń
elektromagnetycznych,
układy mocy pobierające impulsowo znaczne prądy lub powodujące zakłócenia napięciowe,
zródła promieniowania elektromagnetycznego.
Transmisja liniami niesymetrycznymi polega na przesyłaniu sygnałów cyfrowych Rys.10:
jednoprzewodowo (przewody nie ekranowane np. przewody izolowane, ścieżki drukowane),
skręconą parą przewodów (przewody ekranowane częściowo),
przewodem koncentrycznym (przewody ekranowane).
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
18
W elektrycznie długich przewodach występują oscylacje wynikające z odbić sygnału od końców
przewodów z uwagi na niedopasowanie pomiędzy impedancja falową linii a rezystancjami:
wejściową i wyjściową nadajników i odbiorników.
Impedancje falowe linii przesyłowych wynoszą zwykle od 50 do 150 &! tj.; dla skrętek
(częściowo ekranowane linie) jest to 100 do 150 &!, dla linii paskowych (ścieżek), na
dwustronnie foliowanym laminacie impedancja falowa wznosi ok. 100 &!, a kable koncentryczne
mają znamionowe impedancje od 50 &! do 125 &!.
Rys.10. Typowe układy przesyłania sygnałów cyfrowych: a) jednoprzewodowe; b) skręconą parą przewodów;
c) przewodem koncentrycznym [4,s.608]
Często stosowanymi nadajnikami i odbiornikami linii przy przesyłaniu sygnałów cyfrowych są
bramki logiczne. Przy zmianie stanu na wyjściu bramki nadawczej, w przypadku linii
niedopasowanej, pojawiają się niekorzystne wartości napięć, z zakresu wartości zabronionych,
a ustabilizowanie się napięć zachodzi dopiero po około 5-8 td.
Przy jednoprzewodowym przesyłaniu sygnałów cyfrowych konieczne jest użycie odbiornika
o dużej odporności na zakłócenia i ograniczenie długości linii, tak aby zakłócenia nie
przekroczyły określonego poziomu. Dodatkowym warunkiem jest zbliżona wartość potencjałów
mas nadajnika i odbiornika, tak aby różnica nie przekroczyła minimalnej odporności odbiornika
na zakłócenia. Zakłócenia mogą indukować się na przewodach sygnałowych oraz wynikać
z istnienia przesłuchów pomiędzy liniami przesyłowymi. Przesłuchy pojawiają się wówczas,
gdy pole elektryczne wokół jednego przewodu powoduje generowanie fałszywych sygnałów
elektrycznych w sąsiednim przewodzie. Niekorzystny wpływ przesłuchów i zakłóceń rośnie
wraz ze wzrostem prędkości transmisji sygnałów. Z tych powodów wielu producentów sprzętu
cyfrowego zabrania stosowania nieekranowanych linii przesyłowych, a zaleca stosowanie
częściowo ekranowanych niesymetrycznych linii przesyłowych Rys.11, tzw. skrętki,
w których jeden z przewodów jest przewodem sygnałowym, a drugi jest z obu końców
dołączony do mas podzespołów. Przewody każdej pary w skrętce są ze sobą skręcone w celu
eliminacji sprzężeń elektrycznych pomiędzy nimi oraz zmniejszenia poziomu emitowanych
zakłóceń elektrycznych. Skręcanie przewodów parami daje efekt wzajemnego ekranowania.
W ten sposób ogranicza się emisję i absorpcję fal elektromagnetycznych, nie jest on jednak tak
skuteczny jak zewnętrzny oplot lub folia metalowa.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
19
Rys.11. Skrętki przewodów [6,s.28]
Kabel koncentryczny Rys.12, zbudowany jest z rdzenia, którym jest przewód miedziany
w postaci drutu lub linki, otoczony zewnętrznym ekranem z oplotu miedzianego lub folii
aluminiowej. Oplot i przewodnik centralny mają wspólną oś (stąd określenie koncentryczny,
rzadziej współosiowy).
Rys. 12. Budowa kabla współosiowego (koncentryk) [6,s.30]
Zewnętrzny i wewnętrzny przewodnik rozdziela warstwa elastycznej izolacji plastycznej,
a dodatkowa warstwa izolacji pokrywa kabel od zewnątrz. Przewodnik zewnętrzny chroni
przewodnik wewnętrzny przed zewnętrznymi sygnałami elektrycznymi i redukuje emisję
sygnałów z wewnątrz. Odległość pomiędzy dwoma przewodnikami, rodzaj izolacji i inne
czynniki określają dla każdego kabla specyficzną charakterystykę elektryczną, nazywaną
impedancją. Typowe impedancje kabli koncentrycznych to 50 &!, 75 &!, 95 &! i 125 &!.
Transmisja sygnałów cyfrowych liniami symetrycznymi
Różnicowe systemy przesyłania sygnałów cyfrowych są stosowane wtedy, gdy odległości
miedzy nadajnikami i odbiornikami są duże lub gdy systemy te mają różne potencjały masy.
Odbiornik w takim systemie ma wejście różnicowe. W liniach symetrycznych sygnały są
przesyłane za pośrednictwem dwóch przewodów. Sygnały zakłócające indukują się w obu
przewodach i na wejściu różnicowym odbiornika odejmują się, dzięki czemu są eliminowane.
Podstawową więc zaletą różnicowych systemów przesyłania sygnałów cyfrowych jest tłumienie
sygnałów wspólnych. Ta właściwość powoduje, że systemy te są stosowane do przesyłania
sygnałów w warunkach silnych zakłóceń. Ze względu na pożądaną dużą szybkość przesyłania
sygnałów dwuprzewodowe linie przesyłowe są dopasowane, co umożliwia uniknięcie odbić.
Jeżeli nadajnikiem linii jest układ o niewielkiej rezystancji wyjściowej, czyli zródło napięciowe,
to wystarczy aby linia była dopasowana na końcu odbiorczym, natomiast jeśli nadajnik ma dużą
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
20
impedancję wyjściową, tzn. jest zródłem prądowym, to linia musi być dopasowana na obu
końcach.
Rys.13. Różnicowy system transmisji sygnałów cyfrowych [4,s.620]
Nadajniki i odbiorniki linii
Standardowa bramka TTL może pracować jako zródło sygnału przesyłanego, czyli nadajnik linii
jak i odbiornik.
Rys.14. Układ przesyłania sygnałów cyfrowych z zastosowaniem bramek TTL na wejściu i na wyjściu linii
przesyłowej [4,s.610]
Bramki nadawczej nie należy obciążać dodatkowo żadną inną bramką, zalecana wartość
impedancji falowej linii wynosi 100 &!. Stosując skrętki można do standardowej bramki dołączyć
linię o długości do kilku metrów, jednak przy liniach o impedancjach falowych 50 &! i 75 &!
(przewody koncentryczne) konieczne jest stosowanie bramek mocy. W układach transmisji
sygnałów cyfrowych można wykorzystywać wiele typów układów scalonych np. bramki
z otwartym kolektorem (OC) lub bramki z tranzystorem mocy na wyjściu (seria 75). Rodzaje
układów wyjściowych nadajników przedstawia Rys.15.
Rys.15. Układy wyjściowe nadajników: a) z rezystorem dołączonym do masy; b) z rezystorem dołączonym do
zródła zasilania; c) z wyjściem przeciwsobnym [2,s.198]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
21
Typowym nadajnikiem linii jest układ 75450, którego strukturę przestawia Rys.16.
Rys.16. Schemat funkcjonalny układu UCY 75450N, UCA65450N [1,s.478]
Do współpracy z koncentryczną linią przesyłową o impedancji powyżej 50 &! stosuje się np.
układy SN75121(LM75121) nadajnik i SN75122 (LM75122) odbiornik, lub układy firmy
Motorola MC1488 (SN75188, LM1488) nadajnik i MC1489/1489A odbiornik, produkowane
również pod zmienionymi nazwami przez inne firmy.
Układy transmisji danych liniami symetrycznymi wraz z nadajnikami i odbiornikami linii
powinny charakteryzować się:
dużą szybkością transmisji danych (ok.20 MHz),
stosowaniem standardowych napięć zasilających,
dużą czułością wejściową odbiornika (< 50 mV),
dużą impedancją wejściową odbiornika,
dużą zdolnością tłumienia zakłóceń na wejściu odbiornika,
długością połączeń rzędu kilkuset do kilku tysięcy metrów,
małym poborem mocy,
możliwością współpracy nadajnika z liniami o małej impedancji,
możliwością wykorzystania wspólnej linii przesyłania dla wielu nadajników i odbiorników.
Nadajnik składa się ze stopnia zamieniającego poziomy logiczne na napięcia, które sterują
układem przełączania prądu. Przełączenie prądu narusza równowagę napięcia w linii, powodując
różnicę potencjałów na wejściach odbiornika. Stopień wejściowy odbiornika ma wejście
różnicowe, które zapewnia duże tłumienie zakłócających sygnałów zewnętrznych indukowanych
w linii. Stopień pośredni odbiornika przyporządkowuje biegunowość sygnału odpowiednim
poziomom logicznym, a układ wyjściowy posiada typowe dla układów TTL wyjście
przeciwsobne (75107) lub z otwartym kolektorem (75108). Schemat typowego odbiornika
przedstawia Rys.17.
Wejściowy Układ zmiany
Układ Układ
We układ poziomów Wy
różnicowy wyjściowy
różnicowy napięć
Rys.17. Schemat blokowy odbiornika [4,s.623]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
22
4.2.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakich mediów używa się do przesyłania sygnałów cyfrowych?
2. W jakich układach może odbywać się transmisja sygnałów cyfrowych?
3. Jakie są przyczyny zakłóceń i przesłuchów w liniach transmisyjnych?
4. Jakie są typowe układy transmisji sygnałów cyfrowych liniami niesymetrycznymi?
5. Jak zbudowana jest skrętka, a jak koncentryk?
6. Dlaczego na duże odległości konieczne jest stosowanie różnicowych układów transmisji?
7. Jakie bramki TTL wykorzystuje się jako nadajniki i odbiorniki linii?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Badanie transmisji sygnałów w linii niesymetrycznej.
Sposób wykonania ćwiczenia
Ćwiczenie polega na zmontowaniu niesymetrycznego układu przesyłania danych
cyfrowych z wykorzystaniem skrętki o długości co najmniej kilku metrów i pomiarze
parametrów przesyłanych sygnałów.
Uwaga: Poproś nauczyciela o sprawdzenie układów praktycznych przed włączeniem zasilania.
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
1) zapoznać się z rodzajami i parametrami niesymetrycznych linii transmisyjnych;
2) zmontować niesymetryczny układ transmisji sygnałów wykorzystując odpowiednie
trenażery;
3) podłączyć generator impulsowy na wejście i oscyloskop na wyjście układu,
4) zaobserwować przebiegi na wyjściu układu, zmierzyć opóznienie i poziomy napięć
sygnałów wejściowych i wyjściowych;
5) porównać uzyskane wartości opóznienia z wartościami z Tabeli 1;
6) obliczyć tłumienie linii;
7) odłączyć z jednej strony przewód masowy skrętki (w celu spowodowania zakłóceń),
dokonać obserwacji przebiegów na wyjściu oraz zmierzyć opóznienie i tłumienie w linii;
8) zmontować linię transmisyjną wykorzystując nadajniki i odbiorniki linii, zaobserwować
przebiegi na wejściu i wyjściu linii, ocenić jakość transmisji;
9) ocenić poprawność wykonania ćwiczenia;
10) sformułować wnioski dotyczące warunków poprawnej transmisji sygnałów cyfrowych
za pomocą częściowo ekranowanych przewodów - skrętki.
Wyposażenie stanowiska pracy:
makiety (trenażery) z układami transmisji umożliwiające obserwację zjawisk związanych
z przesyłaniem sygnałów linią długą,
nadajniki i odbiorniki linii,
sprzęt pomiarowy i laboratoryjny: oscyloskop cyfrowy, generatory impulsowe,
katalogi elementów i układów elektronicznych
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 2
Badanie transmisji sygnałów w linii niesymetrycznej.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
23
Sposób wykonania ćwiczenia:
Ćwiczenie polega na zmontowaniu niesymetrycznego układu przesyłania danych
cyfrowych z wykorzystaniem kabla koncentrycznego długości co najmniej kilkunastu metrów
i pomiarze parametrów przesyłanych sygnałów.
Uwaga: Poproś nauczyciela o sprawdzenie układów praktycznych przed włączeniem zasilania.
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
1) zapoznać się z rodzajami i parametrami niesymetrycznych linii transmisyjnych;
2) zmontować niesymetryczny układ transmisji sygnałów wykorzystując odpowiednie
trenażery;
3) podłączyć generator impulsowy na wejście i oscyloskop na wyjście układu,
4) zaobserwować przebiegi na wyjściu układu, zmierzyć opóznienie i poziomy napięć
sygnałów wejściowych i wyjściowych;
5) porównać uzyskane wartości opóznienia z wartościami z Tabeli 1;
6) obliczyć tłumienie linii;
7) zmontować linię transmisyjną wykorzystując odpowiednie nadajniki i odbiorniki linii,
zaobserwować przebiegi na wejściu i wyjściu linii, ocenić jakość transmisji;
8) ocenić poprawność wykonania ćwiczenia;
9) sformułować wnioski dotyczące warunków poprawnej transmisji sygnałów cyfrowych za
pomocą kabla koncentrycznego.
Wyposażenie stanowiska pracy:
makiety (trenażery) z układami transmisji umożliwiające obserwację zjawisk związanych
z przesyłaniem sygnałów linią długą,
nadajniki i odbiorniki linii,
sprzęt pomiarowy i laboratoryjny: oscyloskop cyfrowy, generatory impulsowe,
katalogi elementów i układów elektronicznych,
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 3
Badanie transmisji sygnałów w linii symetrycznej.
Sposób wykonania ćwiczenia
Ćwiczenie polega na zmontowaniu symetrycznego układu przesyłania danych cyfrowych
z wykorzystaniem skrętki o długości co najmniej kilkunastu metrów i pomiarze parametrów
przesyłanych sygnałów.
Uwaga: Poproś nauczyciela o sprawdzenie układów praktycznych przed włączeniem zasilania.
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
1) zapoznać się z rodzajami i parametrami symetrycznych linii transmisyjnych;
2) zmontować symetryczny układ transmisji sygnałów wykorzystując odpowiednie trenażery;
3) podłączyć generator impulsowy na wejścia i oscyloskop na wyjście układu,
4) zaobserwować przebiegi na wyjściu układu;
5) zmontować linię transmisyjną wykorzystując nadajniki i odbiorniki linii, zaobserwować
przebiegi na wejściu i wyjściu linii, ocenić jakość transmisji;
6) ocenić poprawność wykonania ćwiczenia;
7) sformułować wnioski dotyczące warunków poprawnej transmisji sygnałów cyfrowych za
pomocą symetrycznej linii przesyłowej.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
24
Wyposażenie stanowiska pracy:
makiety (trenażery) z układami transmisji umożliwiające obserwację zjawisk związanych
z przesyłaniem sygnałów linią długą,
nadajniki i odbiorniki linii,
sprzęt pomiarowy i laboratoryjny: oscyloskop cyfrowy, generatory impulsowe,
katalogi elementów i układów elektronicznych,
literatura z rozdziału 6.
Ćwiczenie 4
Badanie nadajników i odbiorników linii.
Sposób wykonania ćwiczenia:
Ćwiczenie polega na pomiarze parametrów wybranych nadajników i odbiorników linii.
Uwaga: Poproś nauczyciela o sprawdzenie układów praktycznych przed włączeniem zasilania.
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
1) zapoznać się z rodzajami i parametrami nadajników i odbiorników linii wykorzystując
katalog układów elektronicznych;
2) zmierzyć poziomy napięć wejściowych i wyjściowych nadajników linii różnych typów
wykorzystując odpowiednie trenażery;
3) zmierzyć poziomy napięć wejściowych i wyjściowych odbiorników linii różnych typów
wykorzystując odpowiednie trenażery;
4) zmontować układ transmisji wykorzystując nadajniki i odbiorniki dobrane do rodzaju
i długości przewodu łączącego;
5) dokonać obserwacji sygnałów na wejściu i na wyjściu toru transmisyjnego dla różnych
długości linii transmisyjnych;
6) porównać uzyskane wyniki z danymi katalogowymi;
7) ocenić poprawność wykonania ćwiczenia;
8) sformułować wnioski dotyczące warunków poprawnej transmisji sygnałów cyfrowych
pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem linii z wykorzystaniem różnego typu mediów
skrętki, kabla koncentrycznego.
Wyposażenie stanowiska pracy:
makiety (trenażery) z układami transmisji umożliwiające obserwację zjawisk związanych
z przesyłaniem sygnałów linią długą,
nadajniki i odbiorniki linii,
sprzęt pomiarowy i laboratoryjny: oscyloskop cyfrowy, generatory impulsowe,
katalogi elementów i układów elektronicznych,
literatura z rozdziału 6.
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz: Tak Nie
1) podać wady, zalety i obszary stosowania symetrycznych i niesymetrycznych Ą% Ą%
układów transmisji sygnałów cyfrowych?
2) prawidłowo zmontować układy transmisji sygnałów z wykorzystaniem Ą% Ą%
różnych mediów: skrętki, kabla koncentrycznego?
3) omówić przenoszenie sygnałów w różnych układach transmisji? Ą% Ą%
4) dobrać nadajniki i odbiorniki linii w zależności od rodzaju układu transmisji Ą% Ą%
i długości przewodu łączącego?
5) zmierzyć parametry nadajników i odbiorników linii? Ą% Ą%
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
25
4.3. Technika światłowodowa
4.3.2. Materiał nauczania
Ze względu na znikome zjawisko tłumienia, odporność na zewnętrzne pola
elektromagnetyczne i brak emisji poza tor transmisyjny światłowody stanowią obecnie najlepsze
medium transmisyjne.
Transmisja światłowodowa polega na prowadzeniu przez włókno szklane promieni optycznych
generowanych przez laserowe zródła światła. Medium transmisyjne światłowodu stanowi czyste
szklane włókno kwarcowe (SiO2) o kołowym przekroju, w którym światło jest zamknięte
w centralnie położonym rdzeniu, dzięki otoczeniu go nieprzezroczystym płaszczem,
zbudowanym ze szkła domieszkowanego GeO2, P2O5 ,B2O3 i F w celu zmiany współczynnika
załamania światła. Dla wykorzystywanych w światłowodach promieni świetlnych z zakresu
bliskiej podczerwieni, różnica współczynników odbicia światła pomiędzy rdzeniem a płaszczem
(w rdzeniu większy niż w płaszczu) powoduje całkowite wewnętrzne odbicie światła
i prowadzenie go wzdłuż osi włókna. Budowę pojedynczego włókna światłowodowego
przedstawia Rys.18.
Rys.18. Struktura włókna światłowodu [6,s.31]
Włókna światłowodowe klasyfikuje się według liczby prowadzonych modów (promieni wiązki
świetlnej), zakresu zmian współczynnika załamania światła, tłumienności, dyspersji
oraz średnicy.
Szkło kwarcowe różni się tłumiennością dla fal o różnych długościach. Wykorzystywane są tzw.
okna charakterystyki tłumienia w funkcji częstotliwości, w których tłumienie włókien
światłowodowych jest najmniejsze Rys.19. Z wykorzystaniem kolejnych okien wiąże się
również istnienie kolejnych generacji światłowodów o coraz mniejszym tłumieniu i większej
szybkości transmisji:
światłowody I generacji używały fal o długości =850 nm , tłumienie wynosiło ok. 4dB/km,
a pojemność transmisyjna była mniejsza niż 50Mb/s,
światłowody II generacji wykorzystują fale o =1300 nm, dla których tłumienie przy
podanej długości fali wynosi 0,35dB/km,
światłowody III generacji wykorzystują fale o =1550 nm, dla których tłumienie
jednostkowe dla podanej częstotliwości mieści się w granicach od 0,16 do 0,20 dB/km,
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
26
światłowody IV i V generacji wykorzystują II i III okno charakterystyki tłumienności szkła
kwarcowego, a poprawę szybkości transmisji uzyskano w nich dzięki wprowadzeniu
nowych urządzeń np. szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych.
Rys.19. Tłumienie i dyspersja w światłowodzie [6,s.32]
Dyspersja określa zniekształcenia sygnału powodowane różnymi szybkościami rozchodzenia się
fal o różnych częstotliwościach, wzajemnym wpływem różnych modów światła oraz stratami w
światłowodzie. Dyspersja jest parametrem określającym przydatność światłowodu do transmisji
długodystansowych, ponieważ powoduje przenoszenie impulsów świetlnych w zniekształconej
postaci. Całkowita wartość dyspersji zależy od trzech składowych:
dyspersji falowodowej, wynikającej z częściowego (ok. 20%) wędrowania wiązki przez
płaszcz światłowodu,
dyspersji materiałowej, nazywanej też chromatyczną, wynikającej z różnych prędkości fal
monochromatycznych składających się na widmo impulsów w rdzeniu, co powoduje
poszerzenie przesyłanych impulsów,
dyspersji modowej, wynikającej z różnych prędkości różnych modów światła,
niewystępującej w światłowodach jednomodowych.
Podział światłowodów na światłowody jedno i wielomodowe wynika z ilości przenoszonych
równocześnie modów światła. Mod światła jest to paczka fal odmiennej długości fali świetlnej
i szybkości propagacji. W światłowodach wielomodowych możliwe jest transmitowanie wielu
modów w światłowodzie równocześnie, natomiast w światłowodach jednomodowych
równocześnie może być transmitowany tylko jeden mod światła Rys.20, co całkowicie
likwiduje możliwość zniekształceń wynikających z interferencji fal świetlnych.
Kolejny podział światłowodów wynika z profilu rozkładu współczynnika załamania światła,
który ma duży wpływ na sposób i jakość transmisji światłowodowej:
światłowody skokowe, w których zmiana współczynnika załamania światła na granicy
rdzenia i płaszcza jest skokowa,
światłowody gradientowe, w których zmiana współczynnika załamania światła zachodzi
stopniowo i nie ma wyraznej granicy.
Wszystkie te właściwości światłowodów wynikające z budowy, wartości tłumienności
i dyspersji wpływają na sposób przenoszenia promieni świetlnych przez światłowód Rys.20.
Kryteria wartościujące światłowody jako tory transmisyjne to przede wszystkim straty transmisji
na jednostkę długości oraz dyspersja, czyli poszerzenie impulsu. Analiza Rys.20 pozwala na
stwierdzenie, że najmniej zniekształcają impuls światłowody jednomodowe III generacji
i dlatego obecnie są najczęściej stosowanym medium światłowodowym. Tłumienie i dyspersja
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
27
impulsu określają wartość tzw. odległości regeneratorowej, czyli maksymalnej odległości
w jakiej muszą znajdować się regeneratory przesyłanego sygnału. Dla światłowodów
wielomodowych gradientowych wynosi ona ok. 50 km, a dla jednomodowych III generacji do
200km.
Rys.20. Profile i mody światłowodowe [6,s.32]
4.3.3. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczenia.
1. Dlaczego światłowody są najlepszym medium transmisyjnym?
2. Jak zbudowany jest światłowód?
3. Jakie podstawowe parametry określają właściwości światłowodów?
4. Jakie kryteria są podstawą wyróżnienia pięciu generacji światłowodów?
5. Czym różnią się światłowody jedno i wielomodowe?
6. Jak profil światłowodu (profil współczynnika załamania światła) wpływa na kształt
przenoszonych impulsów?
4.3.4. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Badanie właściwości światłowodów.
Sposób wykonania ćwiczenia
Ćwiczenie polega na wyznaczeniu wybranych parametrów światłowodów: apertury
numerycznej i stożka akceptacji dla promieni wchodzących do światłowodu
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
1) zapoznać się z rodzajami i właściwościami światłowodów;
2) obliczyć wartość apertury numerycznej światłowodu NA na podstawie danych określających
współczynniki załamania światła w rdzeniu i w płaszczu dla różnych typów światłowodów:
n1 współczynnik załamania światła w rdzeniu, n2 wsp. załamania światła w płaszczu
NA = n12 - n22
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
28
3) obliczyć wartość kąta akceptacji dla poszczególnych typów światłowodów oraz wyznaczyć
kąt wierzchołkowy stożka akceptacji promieni dla poszczególnych typów światłowodów wg
zależności
sin = NA ą = 2 - kąt akceptacji ; ą kąt wierzchołkowy stożka akceptacji
4) sformułować wnioski dotyczące różnic współczynników załamania światła w rdzeniu
i płaszczu światłowodów i wielkości kąta wierzchołkowego stożka akceptacji dla różnych
typów światłowodów.
Wyposażenie stanowiska pracy:
materiały określające wartości współczynników załamania światła szkła stosowanego
w różnych typach światłowodów - tabela,
katalogi elementów i układów elektronicznych
komputer PC,
oprogramowanie Excell,
literatura z rozdziału 6.
Tabela. Wartości współczynników załamania światła dla różnych typów światłowodów [6,s.31]
Rodzaj światłowodu n1 n2
Włókno wielomodowe ze skokowym 1,48 1,46
profilem rozkładu współczynnika 1,527 1,515
załamania światła
Włókno wielomodowe gradientowe od 1,527 do 1,562 1,540
Włókno jednomodowe skokowe 1,471 1,457
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz: Tak Nie
1) scharakteryzować różne typy światłowodów ? Ą% Ą%
2) wymienić i scharakteryzować parametry światłowodów? Ą% Ą%
3) uzasadnić stosowanie światłowodów jako medium transmisyjnego pomimo Ą% Ą%
stosunkowo dużych kosztów w porównaniu do innych mediów
przewodowych?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
29
5. SPRAWDZIAN OSIGNIĆ
ZESTAW ZADAC TESTOWYCH
Instrukcja dla ucznia
1. Przeczytaj uważnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych oraz kartami katalogowymi układów czasowych.
5. Test zawiera 20 zadań o różnym stopniu trudności. Zadania: od 1 do 4, od 8 do 11 i od 14 do
19 są to zadania wielokrotnego wyboru i tylko jedna odpowiedz jest prawidłowa,
a w zadaniach: od 5 do 7, 12, 13 i 20 należy udzielić krótkiej odpowiedzi, wykonać
obliczenia lub narysować konfigurację układu.
6. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi.
7. W zadaniach wielokrotnego wyboru zaznacz prawidłową odpowiedz X (w przypadku
pomyłki należy błędną odpowiedz zaznaczyć kółkiem, a następnie ponownie zakreślić
odpowiedz prawidłową).
8. W zadaniach z krótką odpowiedzią wpisz odpowiedz w wyznaczone pole.
9. W zadaniach z luką wpisz brakujące wyrazy.
10. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
11. Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie
na pózniej i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny. Trudności mogą sprawić Ci zadania
16 do 20, gdyż są one na poziomie trudniejszym niż pozostałe.
Na rozwiązanie testu masz 60 min.
Powodzenia
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
30
ZESTAW ZADAC TESTOWYCH
1. Długość fali o częstotliwości f=20MHz wynosi:
a) 200m,
b) 0,067m,
c) 66,7m,
d) 15m.
2. Fala radiowa o długości 40cm ma częstotliwość:
a) 75 MHz,
b) 0,75 GHz,
c) 7,5 GHz,
d) 7,5MHz.
3. Linia opózniająca przy transmisji sygnałów cyfrowych musi być traktowana jako linia długa
gdy :
a) zbocza narastające przesyłanych impulsów mają czasy porównywalne z czasami
propagacji sygnału przez linię,
b) długość linii jest porównywalna z długością przesyłanej fali,
c) czasy przełączania są zbliżone do czasu propagacji sygnału przez przewody,
d) wszystkie wymienione odpowiedzi są prawdziwe.
4. Czas opóznienia wnoszony przez linię dwuprzewodowa o długości 2m wynosi:
a) 3,33 ns,
b) 0,33 ns,
c) 6,66 ns,
d) 13,32 ns,
5. Rezystancja jednostkowa linii długiej reprezentuje .................... w przewodach linii
spowodowane ..................................................... i ....................................................................
6. Elementy poprzeczne w schemacie zastępczym linii długiej odpowiadają za
........................... ..................... przy stałej wartości napięcia w linii.
7. Impedancja falowa linii bezstratnej zależy od ........................... i .................................,
wyraża się wzorem .....................................
8. Linia dopasowana na wejściu to linia w której:
a) rezystancja generatora jest równa rezystancji obciążenia,
b) rezystancja linii jest równa rezystancji generatora,
c) impedancja falowa linii jest równa rezystancji generatora,
d) impedancja falowa linii jest równa rezystancji obciążenia.
9. Przy przenoszeniu impulsu wzdłuż linii rozwartej na wyjściu zmierzona wartość sygnału
wyjściowego, dla podanych parametrów linii, wynosi:
Rg=100, Z0= 100 , Eg= 10V
a) 5V,
b) 10V,
c) 20V,
d) brak informacji o dopasowaniu linii na wejściu uniemożliwia obliczenia.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
31
10. Dla linii dopasowanej, o impedancji charakterystycznej Z0=50 i generatora o Eg=20V
wartość napięcia na obciążeniu wynosi:
a) 20V,
b) 2,5V,
c) 10V,
d) 0,4V.
11. Dla typowej szybkości propagacji sygnału w linii wynoszącej ok. 20cm/ns opóznienie linii
o długości 0,5m wynosi:
a) 2,5ns,
b) 0,25ns,
c) 5ns,
d) 0,5ns.
12. Układy z liniami niesymetrycznymi stosuje się do transmisji sygnałów cyfrowych na
......................... odległości, ze względu na .................................... oraz ...........................
13. Przesłuchy pojawiają się w liniach transmisyjnych, gdy ..........................................................
.....................................................................................................................
14. Jako nadajniki linii wykonanej ze skrętki o długości 10m można stosować:
a) standardowe bramki TTL,
b) bramki z otwartym kolektorem,
c) bramki z układem Schmitta,
d) wszystkie wymienione.
15. Przy transmisji sygnałów cyfrowych liniami symetrycznymi z wykorzystaniem typowych
nadajników i odbiorników linii napięcia w liniach:
a) muszą mieć wartości odpowiadające poziomom TTL,
b) na wejściu nadajnika i wyjściu odbiornika muszą być sygnały TTL, a w linii mogą mieć
inne wartości,
c) na wejściu nadajnika i w linii sygnały muszą odpowiadać poziomom TTL, a na wyjściu
zależą od użytych odbiorników,
d) na wejściu nadajnika i wyjściu odbiornika sygnały mają wartości zależne od użytych
elementów, a w linii odpowiadają poziomom TTL.
16. Przedstawiony na rysunku przekrój i profil współczynnika załamania światła przedstawia
światłowód:
a) wielomodowy skokowy,
b) wielomodowy gradientowy,
c) jednomodowy skokowy,
d) jednomodowy gradientowy.
17. Podział światłowodów na generacje I, II i III wynika z:
a) wykorzystania wybranego okna na charakterystyce tłumienia światłowodu,
b) technologii wykonania,
c) dyspersji światłowodu,
d) ilości przenoszonych modów światła.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
32
18. Dyspersja chromatyczna światłowodów wielomodowych przy transmisji sygnałów
cyfrowych:
a) zależy od zakresu częstotliwości wykorzystywanego okna,
b) wynika z różnych prędkości w szkle fal o różnych długościach,
c) powodowana jest przez różnice prędkości różnych modów światła,
d) powoduje tłumienie amplitudowe przesyłanego sygnału.
19. Typowe średnice płaszcza światłowodów jednomodowych to:
a) 5 źm,
b) 9 źm,
c) 50 źm,
d) 125 źm.
20. Oblicz wartość kąta wierzchołkowego stożka akceptacji światłowodu wielomodowego
skokowego, dla fali o długości =1,32 źm, w którym rdzeń jest zbudowany ze szkła
domieszkowanego dwutlenkiem germanu, a płaszcz z czystego dwutlenku krzemu.
[źm] SiO2 GeO2
5,8 [źm] 50[źm]
1,30 1,4469 1,4558 1,4682
1,32 1,4467 1,4556 1,4680
1,34 1,4465 1,4553 1,4678
1,36 1,4462 1,4451 1,4675
1,38 1,4460 1,4549 1,4673
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
33
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & ..
Badanie układów transmisji sygnałów
Zakreśl poprawną odpowiedz, wpisz brakujące części zdania lub udziel krótkiej odpowiedzi na
pytanie.
numer punkty
Odpowiedz
zadania
1. a b c d
2. a b c d
3. a b c d
4. a b c d
5. Rezystancja jednostkowa linii długiej reprezentuje ............w
przewodach linii spowodowane .................... i .............................
6. Elementy zastępcze w schemacie zastępczym linii długiej odpowiadają
za ................................. przy stałej wartości napięcia w linii.
7. Impedancja falowa linii bezstratnej zależy od ...............i ..................,
i wyraża się wzorem .................
8. a b c d
9. a b c d
10. a b c d
11. a b c d
12. Układy z liniami niesymetrycznymi stosuje się do transmisji sygnałów
cyfrowych na ...................odległości, ze względu na ............. i................
13. Przesłuchy pojawiają się w liniach transmisyjnych, gdy...........................
..................................................................................................................
14. a b c d
15. a b c d
16. a b c d
17. a b c d
18. a b c d
19. a b c d
20.
Razem
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
34
6. LITERATURA
1. Borczyński J.,Dumin P., Mliczewski A.: Podzespoły elektroniczne. Półprzewodniki.
Poradnik, WKił, Warszawa 1990.
2. Głocki W. : Układy cyfrowe, WSiP, Warszawa 1998
3. Aakomy M., Zabrodzki J. : Liniowe układy scalone w technice cyfrowej, PWN,
Warszawa 1981
4. Pieńkos J. Turczyński J.: Układy scalone TTL w systemach cyfrowych, WKiA,
Warszawa 1986
5. Rusek A.: Podstawy elektroniki cz.2, WSiP, Warszawa 1986
6. Vademecum teleinformatyka, praca zbiorowa, IDG Poland S.A., Warszawa 1999
7. www.elektronikapraktyczna.pl
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
35
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
BADANIE UKŁADÓW PROSTOWNIKOWYCH PRZY RÓŻNYCH OBCIĄŻENIACH
Badanie układów RLC
[05] transmisja sygnałów
Transmisja sygnału czasu poprzez sieć energetyczną niskiego napięcia
Badanie układów uzależnień czasowych
Badanie układów o promieniowym rozkładzie natężenia pola magnetycznego v2(2)
311[15] Z2 04 Eksploatowanie układów sterowania, sygnalizacji i łączności
Badanie wysokonapięciowych układów izolacyjnych napięciem przemiennym
BADANIA TRANSMISJI PROMIENIOWANIA PODCZERWONEGO W AEROZOLU PARAFINOWYM
Montaż i badanie energoelektronicznych układów napędowych
5 Badanie właściwości układów cyfrowych TTL i CMOS
L2 Badanie charakterystyk czasowych liniowych układów ciągłych wartości elementów
więcej podobnych podstron