Принципы построения устройства сбора и обработки информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общие сведения о передаче, приеме и обработке информации

1.1 Интеллектуальные измерительные системы

1.2 Принципы обмена данными

1.3 Режимы передачи сигналов

1.4 Ширина полосы

1.5 Отношение сигнал/шум

1.6 Принципы построения передатчиков

1.7 Способов кодирования - декодирования информации

2. Разработка устройства сбора и обработки информации

2.1 Структурная схема передатчика

2.2 Принципиальная схема передатчика

3. Результаты исследования

Заключение

Список используемой литературы

Введение

информация сбор обработка передатчик

Необходимость приёма и передачи информации беспокоило человечество всегда. Существует способ приёма и передачи информации между передатчиком и приемником по радиоканалу. В этом случае используется устройство модуляции и демодуляции[5].

Обмен информацией является её передача от одной точки к другой. Многие системы обмена информации работают с аналоговыми данными - примером является телефонная связь, радио и телевидение[5].

Понятие «распределенная система» применяется сегодня очень широко, независимо от того, идет ли речь о комплексах из нескольких машин или мультипроцессорных системах различных архитектур. Благодаря этому в большинстве случаев оно потеряло свой смысл. Рассмотрим концепцию распределенных систем, полученных объединением датчиков и исполнительных механизмов, формирующая систему автоматизированного управления. Распределенная система управления(РСУ) представляет собой некоторое упорядоченное соединение узлов, обменивающихся друг с другом данными об измерениях и управлении[8].

Сферы применения РСУ многочисленны, перечислим основные[8]:

1) Компьютерная сеть

2) Промышленность

3) Распределенные системы измерения

4) Распределенные системы управления

5) Интернет

В рамках курсовой работы будет реализовано устройство для сбора и передачи информации по радиоканалу с Амплитудно-импульсной модуляцией. Принцип работы устройства заключается в модуляции низкочастотным сигналом несущим информацию, высокочастотного сигнала с ультра-короткими волнами.

1. Общие сведения о передачи, приеме и обработки информации

Почти все современные измерительные приборы связаны с цифровой передачей данных.

Для любой системы обмена данными необходим передатчик, чтобы отправлять данные, приемник, чтобы принимать их, и находящийся между ними канал связи. Каналом связи может быть медный провод, оптоволокно, радио или микроволновое излучение[5].

Между принимающей и передающей сторонами должна быть взаимная договоренность о том, как надо декодировать данные. Приемник должен уметь понимать то, что ему передает передатчик. Правило, по которому устройства общаются друг с другом называется протоколом[5].

Современные системы контроля и управления получают данные от измерительных приборов и передают контроллеру - обычно это компьютер, но сами измерительные приборы тоже являются такой же сравнительно не большой системой - системой сбора, передачи и обработки полученных данных от датчика базовому устройству. Управление последовательностью операций традиционно производилось с помощью реле, таймеров и других компонентов. Это нужно для контроля передачи информации на базовое устройство с приемником, через определенные промежутки времени[5].

1.1 Цифровые измерительные системы

В 1960-х годах в качестве стандарта для измерительных приборов de facto был принят аналоговый интерфейс с токовой петлей 2--20 мА. В результате этого производители измерительного оборудования получили стандартный коммуникационный интерфейс, который они использовали при производстве своих приборов. Пользователи имели большой выбор приборов и датчиков от большого числа производителей, которые могли быть использованы в их системах управления[5].

С приходом микропроцессоров и развитием цифровых технологий ситуация изменилась. Большинство пользователей оценили достоинства цифровых измерительных приборов. К ним относится большой объем информации, отображаемой на одном приборе, местная и удаленная индикация, надежность, экономичность, автоматическая настройка и возможность диагностирования. В настоящее время наблюдается постепенный переход от аналоговых к цифровым технологиям[5].

Имеется ряд цифровых датчиков, поддерживающих обмен цифровых данных и подходящих для самых традиционных применений. К ним относятся датчики для измерения температуры, давления, уровней, потока, массы (веса), плотности и параметров систем питания.

К главным особенностям, которые характеризуют цифровой измерительный прибор, относятся[5]:

· Возможность передачи цифровой информации;

· Способность объединения с другими приборами.

1.2 Принципы обмена данными

Каждая система обмена данными требует:

· источника данных (передатчик или линейный формирователь), который преобразует информацию в форму, удобную для передачи по каналу связи;

· приемника, который принимает сигналы и преобразует их обратно в исходные данные;

· канала связи, по которому передаются сигналы. Это может быть медный провод, оптоволокно, радио или спутниковая связь.

Кроме того, передатчик и приемник должны понимать друг друга. Для этого должно быть выработано соглашение по ряду факторов[5]:

· тип используемых сигналов;

· определение логической «единицы» и логического «нуля»;

· коды, представляющие эти символы;

· обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником;

· управление потоком данных, чтобы не переполнить приемник;

· способ обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче;

Физические факторы обычно называют стандартом интерфейса; все остальные факторы относятся к протоколу[5].

Физический способ передачи данных по каналу связи зависит от используемой среды. Например, двоичные значения 0 и 1 могут выражаться присутствием или отсутствием напряжения на медном проводе, двумя звуковыми частотами, генерируемыми и декодируемыми модемом, как это происходит в телефонной системе, или путем модуляции света, как происходит при передаче сигнала по оптоволокну[5].

1.3 Режимы передачи сигналов

Через любой канал связи, соединяющий два устройства, данные можно передавать с использованием одного из трех режимов[5]:

· симплексного

· полудуплексного

· полнодуплексного

Симплексная система - это такая система, которая приспособлена для передачи сообщений только в одном направлении (рис. 1.1).

Симплексная система:

Передатчик	Передача	Приемник

Рис. 1.1. Симплексная передача данных

Дуплексная система предназначена для передачи сообщений в обоих направлениях. Полудуплексной считается передача, при которой данные могут передаваться в обоих направлениях, но только в разное время (рис. 1.2)[5].

Рис. 1.2 Полудуплексная передача данных

В полнодуплексной системе данные могут передаваться в обоих направлениях одновременно[5].

1.4 Ширина полосы

Единственным наиболее важным фактором, который ограничивает скорость передачи данных, является ширина полосы канала связи. Ширина полосы обычно выражается в герцах (Гц). Ширина полосы представляет максимальную частоту, с которой может изменяться сигнал, когда ослабление еще не начинает ухудшать сигнал. Ширина полосы близко связана с передающей средой и может быть от 5000 Гц для телефонной сети до нескольких гигагерц для оптоволоконного кабеля[5].

Поскольку сигнал имеет свойство ослабляться с расстоянием, то каналы связи могут потребовать установки через некоторый интервал повторителей (репитеров), которые необходимы для усиления затухающего сигнала[5].

Вычисление теоретической максимальной скорости передачи данных использует формулу Найквиста и включает ширину полосы и количество уровней, используемых для кодирования каждого элемента сигнала[5].

1.5 Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум (S/N) канала связи является еще одним важным фактором, ограничивающим скорость передачи. Источники помех могут быть как внешними, так и внутренними

Максимальная реальная скорость передачи данных для коммуникационного канала математически связана с шириной полосы, отношением сигнал/шум и количеством уровней, с помощью которых кодируется каждый элемент сигнала. При уменьшении отношения сигнал/шум уменьшается и скорость передачи битов - закон Хартли[5]:

Отношение сигнал/шум:

S/N = 10lg(S/N) Дб

S - Мощность сигнала в Вт, B - мощность шумов в Вт[5]

1.6 Принципы построения передатчиков

Для построения передатчиков различных мощностей, используется два основных принципа[1]:

1) Генератор высокочастотного сигнала, находится под воздействием модулятора, то есть модулирующие импульсы подаются на генератор, модулируя тем самым несущую. Такой способ прост в технической реализации, но низкочастотное колебание с модулятора может повлиять на несущее колебание, вызывая нестабильность не модулированных параметров сигнала. Данный принцип показан нарис. 1.3.[1]

Антенна

Рис. 1.3 Структурная схема построения передатчиков первого принципа

Генератор высокочастотного сигнала, собирается отдельно от модулятора и не зависит от него, таким образом сигнал с генератора направляется в модулятор, где уже и происходит модуляция высокочастотного колебания. Модулятор не сможет вызвать не стабильность других параметров несущего колебания, а лишь промодулирует сигнал по нужному параметру. Такой способ более сложен в технической реализации, но он так же дает высокую стабильность, что является главной особенностью при передаче информации по радиоканалу. Данный принцип показан на рис. 1.4.[1]

Рис. 1.4. Структурная схема построения передатчиков второго принципа.

1.7 Обзор способов кодирования - декодирования информации

Сигналы от измерительных датчиков и любых других источников информации передаются по линиям связи к приемникам - измерительным приборам, в измерительно-вычислительные системы регистрации и обработки данных, в любые другие центры накопления и хранения данных. Как правило, информационные сигналы являются низкочастотными и ограниченными по ширине спектра. Каналы связи, напротив, являются высокочастотными, широкополосными и рассчитаны на передачу сигналов от множества источников одновременно с частотным разделением каналов. Перенос спектра сигналов из низкочастотной области в выделенную для их передачи область высоких частот выполняется операцией модуляции[5].

Допустим, что низкочастотный сигнал, подлежащий передаче по каналу связи, задается функцией s(t). В канале связи для передачи данного сигнала выделяется определенный диапазон высоких частот. На входе канала связи в специальном передающем устройстве формируется вспомогательный, как правило, непрерывный во времени периодический высокочастотный сигнал u(t) = f(t; a1, a2, … am). Совокупность параметров ai определяет форму вспомогательного сигнала. Значения параметров ai в отсутствие модуляции являются величинами постоянными. Если на один из этих параметров перенести сигнал s(t), т.е. сделать его значение пропорционально зависимым от значения s(t) во времени, то форма сигнала u(t) приобретает новое свойство. Она несет информацию, тождественную информации в сигнале s(t). Поэтому сигнал u(t) называют несущим сигналом, несущим колебанием или просто несущей (carrier), а процесс переноса информации на параметры несущего сигнала - его модуляцией (modulation). Информационный сигнал s(t) называют модулирующим (modulating signal), результат модуляции - модулированным сигналом (modulated signal). Обратную операцию выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания называют демодуляцией (demodulation)[1][4][6].

Основным видом несущих сигналов являются гармонические колебания[1]:

u(t) = Ucos(щt+ц)

которые имеют три свободных параметра: U, щ и ц. В зависимости от того, на какой из данных параметров переносится информация, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляцию несущего сигнала. Частотная и фазовая модуляция взаимосвязаны, поскольку изменяют аргумент функции косинуса, и их обычно объединяют под общим названием - угловая модуляция (angle modulation)[1].

При использовании в качестве несущих сигналов периодических последовательностей импульсов свободными параметрами модуляции могут быть амплитуда, длительность, частота следования импульсов и фаза (положение импульса относительно определенной точки тактового интервала). Это дает четыре основных вида импульсной модуляции: Амплитудно-импульсная модуляция, Широтно-импульсная модуляция, Частотно-импульсная модуляция и фазо-импульсная[1][4][6].

Амплитудная модуляция

Амплитудная модуляция (amplitude modulation, АМ) была первым видом модуляции, освоенным на практике. В настоящее время АМ применяется в основном только для радиовещания на низких частотах (не выше коротких волн). Это обусловлено низким КПД использования энергии модулированных сигналов[1].

АМ соответствует переносу информации s(t) U(t) при постоянных значениях параметров несущей частоты щ0 и фазы ц0. АМ - сигнал представляет собой произведение информационной огибающей U(t) и гармонического колебания ее заполнения. Форма записи амплитудно-модулированного сигнала[1]:

u(t) = U(t)cos(w_ot+j_o), (1.1)

U(t) = U_m[1+Ms(t)], (1.2)

где Um - постоянная амплитуда несущего колебания при отсутствии модулирующего сигнала s(t), М - коэффициент амплитудной модуляции.

Значение М характеризует глубину амплитудной модуляции. В простейшем случае, если модулирующий сигнал представлен одночастотным гармоническим колебанием с амплитудой So, то коэффициент модуляции равен отношению амплитуд модулирующего и несущего колебания М=So/Um. Значение М должно находиться в пределах от 0 до 1 для всех гармоник модулирующего сигнала. При значении М<1 форма огибающей несущего колебания полностью повторяет форму модулирующего сигнала s(t), что можно видеть на рис. 1.5.. Малую глубину модуляции М<<1 для основных гармоник модулирующего сигнала применять нецелесообразно, т.к. при этом мощность передаваемого информационного сигнала будет много меньше мощности несущего колебания и мощность передатчика будет использоваться неэкономично[1][4].

Рис. 1.5 Амплитудно-модулированный сигнал

Рис. 1.6 Глубокая амплитудная модуляция

Рис. 1.7 Амплитудная перемодуляция сигнала

На рис. 1.6. приведен пример глубокой модуляции, при которой значение M стремится к 1. Стопроцентная модуляция (М=1) может приводить к искажениям сигналов при перегрузках передатчика, если он имеет ограниченный динамический диапазон по амплитуде несущих частот или ограниченную мощность передатчика (увеличение амплитуды несущих колебаний в пиковых интервалах сигнала U(t) в два раза требует увеличения мощности передатчика в четыре раза)[1][4].

При М>1 возникает так называемая перемодуляция, пример которой приведен на рис. 1.7. Форма огибающей при перемодуляции искажается относительно формы модулирующего сигнала, и после демодуляции, если применяются ее простейшие методы, информация может быть искажена.

Демодуляция АМ-сигналов

Может выполняться несколькими способами:

Самый простой способ - двухполупериодное детектирование (вычисление модуля сигнала) с последующим сглаживанием однополярных полупериодов несущей фильтром низких частот.

На рис. 1.8. приведен пример изменения однотонального амплитдно-модулированного сигнала и его физического спектра при детектировании (в реальной односторонней шкале частот и в реальной шкале амплитудных значений гармоник колебаний). Параметры представленного сигнала: несущая частота 30 Гц, частота модуляции 3 Гц, коэффициент модуляции М=1[4].

Рис. 1.8. Изменение однотонального модулированного сигнала при детектированииКак видно на рисунке 1.8., при детектировании спектр модулированного сигнала становится однополярным, переходит на основную несущую частоту 2w_o и уменьшается по энергии. Основная часть энергии (более 4/5) трансформируется в область низких частот и распределяется между постоянной составляющей и выделенной гармоникой сигнала модуляции в зависимости от значения коэффициента модуляции М. При М=1 энергии равны, при М=0 (в отсутствие сигнала модуляции) вся энергия переходит на постоянную составляющую[1][4].

Кроме этих составляющих в спектре появляются также 2-я, 3-я и более высокие гармоники детектированного модулированного сигнала (т.е. на частотах 4w_o±W, 6w_o±W, и т.д.), которые не показаны на рисунке. Энергия второй гармоники не превышает 2%, а остальных и вовсе незначительна. Демодуляторы сигнала выделяют после детектирования только низкочастотный информационный сигнал и подавляют все остальные частоты, включая постоянную составляющую (низкочастотный фильтр с подавлением постоянной составляющей)[1].

Очевидно также, что в случае перемодуляции сигнала исходный информационный сигнал будет восстанавливаться с ошибкой[1].

Другой распространенный метод - синхронное детектирование. При синхронном детектировании модулированный сигнал умножается на опорное колебание с частотой несущего колебания. Без учета фазовых углов колебаний[1][4]:

y(t) = u(t)cos(w_ot) = U(t)cos(w_ot)·cos(w_ot) = 0,5U(t) + 0,5U(t)cos(2w_ot). (1.3)



Рис. 1.9 Сопостовление двухполупериодного и синхронного детектирования

Как следует из этого выражения, сигнал разделяется на два слагаемых, первое из которых повторяет исходный модулирующий сигнал, а второе повторяет модулированный сигнал на удвоенной несущей частоте 2w_о [1][4].

На рис. 1.9. приведено визуальное сопоставление двухполупериодного и синхронного детектирования, которое наглядно показывает практически полное подобие процессов. Но форма новой несущей при синхронном детектировании является чистой гармоникой, в отличие от двухполупериодного детектирования[1][4].

Физический амплитудный спектр сигналов после демодуляции однозначно соотносится со спектром входного модулированного сигнала: амплитуды гармоник модулированного сигнала на частоте 2w_о в два раза меньше амплитуд входного сигнала, постоянная составляющая равна амплитуде несущей частоты w_o o и не зависит от глубины модуляции, амплитуда информационного демодулированного сигнала в 2 раза меньше амплитуды исходного модулирующего сигнала[1].

Рис. 1.10

Замечательной особенностью синхронного детектирования является полная независимость от глубины модуляции, т.е. коэффициент модуляции сигнала может быть больше 1. Пример синхронного детектирования перемодулированного сигнала приведен на рис. 1.10[1][4].

Однако при синхронном детектировании требуется точное совпадение фаз и частот опорного колебания демодулятора и несущей гармоники АМ-сигнала. При сдвиге фазы опорного колебания на Dw относительно несущей частоты выходной сигнал демодулятора оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки[1]:

y(t) = U(t)cos(w_ot)·cos(w_ot-Dj) = 0,5U(t)cos(-Dj) + 0,5U(t)cos(2w_ot-Dj),

и амплитуда сигнала занижается, а при ??=?/2 становится равной нулю.

При сдвиге частоты между несущим и опорным колебаниями сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой[1]:

y(t) = U(t)cos(w_ot)·cos(w_ot-Dw) = 0,5U(t)cos(-Dwt) + 0,5U(t)cos((2w_o-Dw)t),

при этом выходной сигнал демодулятора начинает пульсировать с частотой биений (beat) (beat) Dw.

Для синхронизации опорного колебания с несущей частотой сигнала в составе демодуляторов используются следящие системы фазовой автоподстройки опорной частоты[4].



Рис. 1.11 Балансная модуляция

Сигналы с угловой модуляцией

При угловой модуляции (angle modulation) в несущем гармоническом колебании u(t) = U_mcos(wt+j) значение амплитуды колебаний Um остается постоянным, а информация s(t) переносится либо на частоту U_m, либо на фазовый угол j.. И в том, и в другом случае текущее значение фазового угла гармонического колебания u(t) определяет аргумент (t) = wt+j,, который называют полной фазой колебания[1].

Фазовая модуляция (ФМ, phase modulation - PM). При фазовой модуляции значение фазового угла j(t) несущей частоты колебаний w_o o пропорционально амплитуде модулирующего сигнала s(t). Уравнение ФМ - сигнала[1]:

u(t) = U_m cos[w_ot + j(t)], j(t) = b s(t). (1.4)

Коэффициент пропорциональности b называется индексом фазовой модуляции. Полная фаза колебаний несущей в текущие моменты времени соответственно определяется выражением[1]:

y(t) = w₀t + bs(t).

Пример однотонального ФМ - сигнала приведен на рис. 1.12. При s(t) = 0, ФМ - сигнал является простым гармоническим колебанием и показан функцией uo(t). С увеличением значений s(t) полная фаза колебаний (t) нарастает быстрее и опережает линейное нарастание w_ot. Соответственно, при уменьшении значений s(t) скорость роста полной фазы во времени спадает. В моменты экстремальных значений s(t) абсолютное значение фазового сдвига Dy между ФМ - сигналом и значением w_ot немодулированного колебания также является максимальным и носит название девиации фазы[1][4].

Рис. 1.12 Фазомодулированный сигнал

Частотная модуляция (ЧМ, frequency modulation - FM) характеризуется линейной связью модулирующего сигнала с мгновенной частотой колебаний, при которой мгновенная частота колебаний образуется сложением частоты высокочастотного несущего колебания w_o o со значением амплитуды модулирующего сигнала с определенным коэффициентом пропорциональности Dw - девиацией частоты:

w(t) = w_o + Dws(t). (1.5)

Соответственно, полная фаза колебаний:

y(t)--=--щ_o(t) + Dws(t) dt +j_o,

Уравнение ЧМ - сигнала:

u(t) = U_m cos(щ_ot+Dws(t) dt +j_o). (1.6)

Частотная и фазовая модуляция взаимосвязаны. Если изменяется начальная фаза колебания, изменяется и мгновенная частота, и наоборот. По этой причине их и объединяют под общим названием угловой модуляции (УМ). По форме колебаний с угловой модуляцией невозможно определить, к какому виду модуляции относится данное колебание, к ФМ или ЧМ, а при достаточно гладких функциях s(t) формы сигналов ФМ и ЧМ вообще практически не отличаются.

Импульсно - модулированные сигналы

В импульсной модуляции в качестве носителя модулированных сигналов используются последовательности импульсов, как правило - прямоугольных. В беспроводных системах передачи данных (в радиосвязи) эти последовательности заполняются высокочастотными колебаниями, создавая тем самым двойную модуляцию. Как правило, эти виды модуляции применяются при передаче дискретизированных данных. Для прямоугольных импульсов наиболее широко используются амплитудно-импульсная (АИМ) и широтно-импульсная (ШИМ) модуляция.

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) заключается в изменении приращения амплитуды импульсов пропорционально функции управляющего сигнала при постоянной длительности импульсов и периоде их следования:

U(t) = U_o + k·s(t), t_и = const, T = const. (1.7)

Спектр АИМ рассмотрим на примере модулирования однотонального сигнала s(t), приведенного на рис. 1.7.9. Напишем уравнение модулированного сигнала в следующей форме:

u(t) = (1+M cos Wt)·f(t), (1.8)

где f(t) - периодическая последовательность прямоугольных импульсов с частотой w_o, o, которую можно аппроксимировать рядом Фурье (без учета фазы):

f(t) = U_o +U_n cos nw_ot (1.9)

получаем:

u(t) = (1+M cos Wt)U_o+U_n cos nw_ot ·(1+M cos Wt)

u(t) = U_o + U_oM cos Wt +U_n cos nw_ot +

+ 0.5MU_n cos (nw_o+W)t + 0.5MU_n cos (nw_o-W)t (1.7.14)

Форма спектра, в начальной части спектрального диапазона, приведена на рис. 1.7.9. В целом, спектр бесконечен, что определяется бесконечностью спектра прямоугольных импульсов. Около каждой гармоники n?o спектра прямоугольных импульсов появляются боковые составляющие n?o?, соответствующие спектру моделирующей функции. При дополнительном высокочастотном заполнении импульсов весь спектр смещается в область высоких частот на частоту заполнения.



Рис. 1.7.9 АИМ модуляция и спектр сигнала АИМ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, в английской терминологии pulse width modulation, PWM), которую иногда называют модуляцией по длительности импульсов (ДИМ), заключается в управлении длительностью импульсов пропорционально функции управляющего сигнала при постоянной амплитуде импульсов и периоде следования по фронту импульсов:

?(t) = to + k·s(t), U = const, T = const. (1.7.14)

Рассмотрим выполнение ШИМ в простейшем варианте на примере гармонического колебания, приведенного на рис. 1.7.10.

Рис. 1.7.10 Широтно-импульсная модуляция

Передаваемая кривая дискретизируется, при этом имеет значение, как интервал дискретизации, так и количество уровней квантования. При передаче данных прямоугольные импульсы начинаются в моменты дискретных отсчетов данных, а длительность импульсов устанавливается пропорциональной значению отсчетов, при этом максимальная длительность импульсов не должна превышать интервала дискретизации данных. Пример сформированных импульсов приведен на рис. 1.4.2 непосредственно под дискретизированной гармоникой, при этом число уровней квантования гармоники принято равным 8.

Рис. 1.7.11 Спектр ШИМ - сигнала. Рис. 1.7.12. Восстановленный сигнал

На рис. 1.7.11 приведен спектр сформированного сигнала ШИМ. В начальной части спектра он содержит постоянную составляющую среднего уровня сигнала и пик частоты гармоники, закодированной в ШИМ - сигнале. Если выделить из спектра эти две составляющие, то восстанавливается исходный сигнал с погрешностью квантования, приведенный на рис. 1.7.12. Естественно, что при малом числе уровней квантования погрешность восстановления исходного гармонического сигнала очень велика.

Вывод: будем использовать амплитудно-импульсную модуляцию.

1.8 Описание таймера NE555

Микросхема включает около 20 транзисторов, 15 резисторов, 2 диода. Выходной ток 200 мА, ток потребления примерно на 3 мА больше. Напряжение питания от 4,5 до 18 вольт. Точность таймера не зависит от изменения напряжения питания и составляет не более 1% от расчетного значения.



Назначение выводов:

Вывод №1 - Земля.

Вывод подключается к минусу питания или к общему проводу схемы.

Вывод №2 - Запуск.

Этот вывод является одним из входов компаратора №2. При подаче на этот вход импульса низкого уровня, который должно быть не более 1/3 напряжения питания, происходит запуск таймера и на выводе №3 появляется напряжение высокого уровня на время, которое задается внешним сопротивлением Ra+Rb и конденсатором С. Данный режим работы называется - режим моностабильного мультивибратора. Импульс, подаваемый на вывод №2, может быть как прямоугольным, так и синусоидным и по длительности он должен быть меньше чем время заряда конденсатора С.

Вывод №3 - Выход.

Высокий уровень равен напряжению питания минус 1,7 Вольта. Низкий уровень равен примерно 0,25 вольта. Время переключения с одного уровня на другой происходит примерно за 100 нс.

Вывод №4 - Сброс.

При подаче на этот вывод напряжения низкого уровня (не более 0,7в) произойдет сброс таймера и на выходе его установится напряжение низкого уровня. Если в схеме нет необходимости в режиме сброса, то данный вывод необходимо подключить к плюсу питания.

Вывод №5 - Контроль.

Обычно, этот вывод не используется. Однако его применение может значительно расширить функциональность таймера. При подаче напряжения на этот вывод можно управлять длительностью выходных импульсов таймера, а значит отказаться от RC времязадающей цепочки. Подаваемое напряжение на этот вход в режиме моностабильного мультивибратора может составлять от 45% до 90% напряжения питания. А в режиме мультивибратора от 1,7в и до напряжения питания. Соответственно на выходе получится FM модулированный сигнал.

Если этот вывод не используется, то его лучше подключить через конденсатор 0,01мкФ к общему проводу.

Вывод №6 - Стоп.

Этот вывод является одним из входов компаратора №1. При подаче на этот вывод импульса высокого уровня (не менее 2/3 напряжения питания), работа таймера останавливается, и на выходе таймера устанавливается напряжение низкого уровня. Как и на вывод №2, на этот вывод можно подавать импульсы как прямоугольные, так и синусоидные.

Вывод №7 - Разряд.

Этот вывод соединен с коллектором транзистора Т1, эмиттер которого соединен с общим проводом. При открытом транзисторе конденсатор С разряжается через переход коллектор-эмиттер и остается в разряженном состоянии пока не закроется транзистор. Транзистор закрыт, когда на выходе таймера высокий уровень и открыт, когда на выходе низкий уровень.

Вывод №8 - Питание.

Напряжение питания таймера составляет от 4,5 до16 вольт.

Таймер может работать в двух режимах: моностабильный мультивибратор и генератор прямоугольных импульсов.

2. Устройство сбора и обработки информации

2.1 Структурная схема

Простейший передатчик всегда состоит из генератора, на выходе которого появляется несущая - постоянное высокочастотное колебание, оно может быть как гармоническим сигналом, так и последовательностью прямоугольных импульсов определенной частоты и амплитуды, и модулятора, который генерирует колебание низкой частоты, изменяя тем самым какой либо параметр несущей. Так же для увеличения мощности последовательно включают усилитель высоких частот.

В данной курсовой работе реализован первый принцип построение передатчиков. Схема выглядит очень простой, из-за отсутствия УВЧ, и потому является маломощным передатчиком, радиус действия которого невелик, порядка 5-6 метров. Амплитудный Модулятор имеет отдельное питания. В качестве блока питания выступает обычная батарейка 9В(крона).

Рис. 2.1.3 Маломощный передатчик, структурная схема

Передатчик, Рис. 2.1.3., работает на частоте 32 МГц, а потому длина волны л(м)=300000/ f(КГц) = 9,375м. Из этого следует, что длина антенны должна быть ј от длины волны, но так же длину антенны можно взять 10% от длины волны, даже 5% относительно хватит. Т.о. длина нашей антенны будет варьироваться от 0.5м до 1м монтажного провода.

2.2 Принципиальная схема

Для создание маломощного передатчика с амплитудно-импульсной модуляцией, нам нужен генератор выдающий гармоническое колебание с частотой 32 МГц, и модулятор выдающий низкочастотный сигнал последовательных прямоугольных импульсов.

Рассмотрим модулятор рис. 2.2.1, он собран по схеме генератора прямоугольных импульсов.

Рис. 2.2.1

Таймер генерирует последовательность прямоугольных импульсов определяемых RC цепочкой.

В начальном состоянии конденсатор С разряжен и на входах обоих компараторов низкий уровень, близкий к нулю. Компаратор №2 переключает внутренний триггер и как следствие этого на выходе таймера (вывод №3) устанавливается высокий уровень. Транзистор Т1 закрывается и конденсатор С начинает заряжаться через цепочку резисторов R1 и R2.

Когда, в результате зарядки, напряжение на конденсаторе достигает 2/3 напряжения питания, компаратор №1 переключает триггер, который в свою очередь устанавливает низкий уровень на выходе таймера (вывод №3). Транзистор Т1 открывается и через резистор R2 начинает разряжаться конденсатор С. Как только напряжение на конденсаторе достигнет 1/3 напряжения питания, компаратор №2 снова переключит триггер и на выходе таймера (вывод №3) снова появится высокий уровень. Транзистор Т1 закроется и конденсатор С снова начнет заряжаться.

Частота импульсов, зависит от величин C, R1 и R2, и рассчитывается по вышеприведенной формуле.

Сопротивления R1 = 15,1 или 8.5 кОм, и R2 = 1 кОм;

Емкость конденсатора C -150nF;

Частота следования импульсов при R1 = 15,1 кОм, F = 553,119 Гц

при R1 = 8,5 кОм, F = 902,587 Гц

Теперь рассмотрим Принципиальную схему передатчика без модулятора.

Рис. 2.2.2 Принципиальная Схема передатчика без модулятора

Как видно из рис. 2.2.2. Схема передатчика очень проста. VT1 и VT2 в принципиальной схеме - отечественные КТ315Г, L1 = 219нГ(16 витков проводом 0.5мм на диаметр обмотки 3мм и длиной обмотки 9мм )

А теперь разберемся как же это все работает:

B нем по ВЧ транзистор VT2 включен с общей базой (база по ВЧ заземляется через кварц, который на частоте последовательного резонанса, в том числе и на 3-й гармонике имеет очень низкое эквивалентное сопротивление). Обратная связь для генерации создается через конденсатор, включенный между коллектором и эмиттером VT2, конденсатор с эмиттера на плюс питания также участвует в создании обратной связи, образуя совместно с конденсатором обратной связи емкостный делитель ВЧ напряжения. Низкочастотный транзистор VT1 с минуса питания в цепи эмиттера генератора - просто ключ, пропускающий ток при подаче плюса на базу, таким образом получается 100% АМ ВЧ генератора просто коммутацией питания.

Нужно так же учесть частоту модулирующих импульсов, т.к. если подать слишком большую частоту, кварцевый резонатор просто не запуститься, его для стабильной работы нужно запускать медленно, т.е. воздействовать низкими частотами. Для стабильной работы передатчика частота должна быть меньше 1 КГц, но для большей уверенности её нужно выбрать в пределах 500-900Гц, потому частота следования импульсов F = 553,119 Гц - 902,587 Гц, при действительных значений радиодеталей(R1=15,1кОм, R1=8,5кOм). Генератор на ne555 имеет на выходе довольно стабильную частоту, значит она не будет прыгать в некоторых больших пределах, что обеспечит хорошую стабильность. Так же нельзя забывать о том, что максимальная амплитуда импульсов должна быть 7В, больше и случиться перемодуляция.

Модулятор подключать особо не сложно, нужно подать сигнал на базу транзистора VT1, то есть с выхода микросхемы ne555 на базу нижнего транзистора, а минус микросхемы на эмиттер этого же транзистора. Рассмотрим рис. 2.2.3.



Рис. 2.2.3 Принципиальная схема передатчика с Амплитудно-импульсной модуляцией

Обратим внимание на то, что по этой схеме генератор запустится в том случае когда идет модуляция с амплитудой по крайней мере 0,7 вольт на вход, чтобы транзистор срабатывал в режиме ключа, только тогда запуститься сам генератор, иначе будет отсутствовать минус на эмиттере и транзистор не будет работать.

Если напряжение на базе будет примерно 0,7-1В, то транзистор как уже говорилось выше работает в режиме ключа, если это напряжение уменьшать, то между эмиттером и базой сопротивление будет увеличиваться, если напряжение на базе увеличить до 1В, то сопротивление между базой и эмиттером стремиться к нулю, то есть к замыканию. Возможно генератор заработает и при меньшем напряжении на базе, но ток эмиттера будет меньше, чем при замкнутом ключе и генератор будет работать на менее низкие мощности.

3. Результаты проверки

Для проведения проверки работоспособности устройства, были сняты графики сигналов с помощью анализатора сигналов и осциллографа. Модулятор проверялся в программе Multisim, где была собрана его виртуальная модель, подключенная к виртуальному осциллографу и анализатору сигналов. Показанные виртуальными приборами сигналы(Рис.3.1.,Рис.3.2.) очень схожи с теоретическими(частота колебаний F = 902,587, Амплитуда 5В при питании 5В):

Рис.3.1 Выходной сигнал модулятора на анализаторе сигналов

Рис.3.2 Выходной сигнал модулятор на осциллографе



Рис.3.3 Теоретически построенный сигнал на выходе модулятора

t1 = 0.693(R1+R2)C;

t2 = 0.693R2C;

Рис.3.4 Выходной сигнал передатчика на виртуальном анализаторе сигналов

Вывод: Передатчик работает, происходит амплитудно-импульсная модуляция, максимальная амплитуда модулированного сигнала 2,84В, частота модулятора 553,119 Гц, частота генератора 32,735МГц, амплитуда модулирующего сигнала 6В.

Заключение

В ходе курсовой работы было разработано устройство для сбора и передачи информации, при помощи Амплитудно-импульсной модуляции, с максимальным радиусом действия 6м. Этот же передатчик, можно использовать для радиоуправления, предварительно увеличив его мощность с помощью УВЧ.

Недостатками являются слабость АМ к помехоустойчивоти, даже при передвижении какого-либо объекта между передатчиком и приемником, сигнал сильно исказится, если полностью не будет подавлении. Для хорошего приема и передачи, не меняя структуру передатчика, можно изменить немного модулятор, т.о. сделав Широтно-импульсную модуляцию(ШИМ).

Использование ШИМ с УВЧ, позволит увеличить дальность передачи и тем самым мощность передатчика, так же к увеличению качества связи. Для полноты картины хорошего передатчика, так же можно возбудить кварцевый резонатор(32МГц) на третьей гармоники(96МГц), что в свою очередь, увеличивает показатели приемника.

Список использованной литературы

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы Учебник для вузов.- М. Высшая школа, 1988.

2. А.Г. Алексеев, Г.В. Войшвилло. Операционные усилители и их применение. М.: Радио и связь, 1989. - 120 с.

3. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - М.: Мир, 2009. - 704 с.

4. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2003. - 608 с.

5. Джон Парк, Стив Маккей, Эдвин Райт. Передача данных в системах контроля и управления. Пер. с англ. - Издательство: Группа ИДТ, - 2007. - 480с.

6. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов.- В. И. Иванов, В. Н. Гордиенко, Г. Н. Попов; Под ред. В. И. Иванова - 2-е изд. - М.: Горячая линия - телеком, 2003. - 232с.:ил.

7. Техническое описание ne555 [электронный ресурс]. - режим доступа: http://www.joyta.ru/619-opisanie-tajmera-ne555/

8. Распределенные системы [электронный ресурс]. - режим доступа: http://technologies.su/tehnicheskaya_organizaciya_raspredelennyh_sistem

Размещено на Allbest.ru

...