Signalmodulering

Anonim

Signalmodulering

Diskrete halvleder enheder og kredsløb


Spørgsmål 1

En moderne metode til elektrisk styring indebærer, at der indføres en hurtigbetjeningsomskifter i tråd med en elektrisk belastning for at tænde og slukke for strømmen meget hurtigt. Normalt anvendes en solid state-enhed som en transistor :

Dette kredsløb er blevet stærkt forenklet fra et ægte pulsstyringskredsløb. Bare transistoren er vist (og ikke "puls" kredsløbet, der er nødvendigt for at beordre det til at tænde og slukke) for enkelhed. Alt du behøver at være opmærksom på er, at transistoren fungerer som en enkel, enkeltpolet single-throw (SPST) -kontakt, bortset fra at den styres af en elektrisk strøm frem for en mekanisk kraft, og at den er i stand at tænde og slukke millioner af gange per sekund uden slid eller træthed.

Hvis transistoren pulses til og fra hurtigt nok, kan strømmen til pæren varieres så glat som om den styres af en variabel modstand. Der er dog meget lidt energi spildt, når der anvendes en hurtigkoblingstransistor til styring af elektrisk strøm, i modsætning til når en variabel modstand anvendes til den samme opgave. Denne tilstand af elektrisk styring betegnes almindeligvis som Pulse-Width Modulation, eller PWM .

Forklar, hvorfor PWM-effektstyring er meget mere effektiv end styring af belastningskraft ved hjælp af en seriemodstand.

Reveal svar Skjul svar

Når transistoren er tændt, virker det som en lukket switch: passerer fuld belastningsstrøm men taber lidt spænding. Således er dens "ON" effekt (P = IE) dissipation minimal. Omvendt, når transistoren er slukket, virker den som en åben switch: overhovedet ingen strøm. Således er dens "OFF" effekttab (P = IE) nul. Den effekt, der afbrydes af belastningen (lyspæren) er den gennemsnitlige tidsforbrug mellem "ON" og OFF "transistorcyklusserne. Således styres belastningseffekten uden at "spilde" strøm over styreenheden.

Bemærkninger:

Studerende kan have svært ved at forstå, hvordan en pære kan blive dæmpet ved at tænde og slukke den rigtigt hurtigt. Nøglen til forståelsen af ​​dette koncept er at indse, at transistorens skiftetid skal være meget hurtigere end den tid det tager at glødelampens glødelampe bliver helt varm eller helt afkølet. Situationen er analog med at sprede motorens hastighed ved hurtigt at "pumpe" gaspedalen. Hvis det gøres langsomt, er resultatet en varierende bilhastighed. Hvis det gøres hurtigt nok, medregner bilens masse, at pedalen "ON" / "OFF" cykler og resulterer i næsten stabil hastighed.

Denne teknik er meget populær inden for industriel strømstyring, og er ved at blive populær som en lydforstærkningsteknik (kendt som klasse D ). Fordelene ved minimal spildkraften ved hjælp af styreenheden er mange.

Spørgsmål 2

Forklar forskellen mellem AM ( Amplitude Modulation ) og FM ( Frequency Modulation ).

Reveal svar Skjul svar

Dette er et let spørgsmål at finde svaret på. Jeg forlader jobbet for dig!

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvilken type modulering deres transmitter kredsløb vil bruge, og hvilke fordele en modulering type kan have over den anden.

Spørgsmål 3

Et meget vigtigt koncept inden for elektronik er modulering . Forklar hvad "modulering" betyder, og giv et eller to eksempler på det.

Reveal svar Skjul svar

Modulation er en handling, der imponerer information på en ellers featurløs strøm af materie eller energi, normalt for at kommunikere denne information over en lang afstand. Radio er et meget almindeligt eksempel på modulering, men jeg vil lade dig undersøge et par mere alene!

Bemærkninger:

Der er mange eksempler på modulering, som eleverne kan finde til præsentation, og ikke alle er elektroniske. Udfordre dem til at tænke på andre scenarier end moderne elektroniske og / eller optiske kommunikationssystemer, hvor modulering af en eller anden art er ansat.

Spørgsmål 4

En primitiv form for kommunikation for længe siden var brugen af røgsignaler : Afbrydelse af den stigende strøm af røg fra en ild ved at vække et tæppe over det, så specifikke sekvenser af røg "puffer" kunne ses nogen afstand væk. Forklar, hvordan dette er et eksempel på modulering, om end i en ikke-elektronisk form.

Reveal svar Skjul svar

Modulation er indtryk af information på en ellers featurløs strøm af materie eller energi. I dette tilfælde bør modulationen af ​​en røgstrøm ved tæppebevægelser være ret tydelig.

Bemærkninger:

Det er vigtigt for eleverne at forstå, at graduering ikke er begrænset til elektroniske medier. Stranger eksempler end dette kan nævnes som bevis. Jeg talte engang med en ingeniør med speciale i vibrationsmåling, som fortalte mig om en meget mærkelig anvendelse af modulering til datakommunikation. Han arbejdede på udformningen af ​​en vibrationssensor, der ville være indlejret i hovedet på en olieboringsboring. Denne sensor skulle sende information til overfladen, tusindvis af fødder op, men kunne ikke bruge radio eller andre "normale" data medier på grund af de involverede afstande og det hårde miljø. Løsningen taget til dette unikke problem var at få sensoren til at aktivere en ventil på borekoppen, som ville modulere strømmen af ​​boreslam til overfladen: et biprodukt af boreprocessen, som alligevel skulle pumpes op til overfladen. Ved at pulsere den normalt stabile mudderstrøm kan digitale data kommunikeres til tryksensorer ved overfladen og derefter omdannes til binære data til en computer til arkivering og oversættelse. Tildelt, bithastigheden var meget langsom, men systemet fungerede.

En ansøgning som denne viser, hvor vigtigt det er for elever at udøve kreativitet. De virkelig interessante problemer i livet giver ikke til "prøvede og sande" løsninger, men kan kun overvindes gennem udøvelse af kreativitet og dygtighed. Gør alt for at udsætte dine elever for sådan kreativ tænkning inden for deres disciplin (er), og det vil hjælpe dem med at blive morgendagens problemløsere!

Spørgsmål 5

En af de enkleste elektroniske metoder til modulering er amplitude modulering eller AM . Forklar, hvordan et højfrekvente bærebølgesignal ville blive moduleret af et laverefrekvenssignal, såsom i tilfælde af de to signaler, der er vist her i tidsdomænet:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Jeg forventer ikke, at de studerende vil være i stand til præcist at skitsere den modulerede bølgeform, især når transportørens periode er så kort. De bør imidlertid være i stand til at udtrykke den generelle ide om amplitudemodulation i en form for tegning eller skitse, og det er alt, jeg er interesseret i at se fra dem som svar på dette spørgsmål.

Spørgsmål 6

Et kredsløb, der ofte anvendes til amplitudemodulering af et bærebølgesignal, er en multiplikator :

Forklar, hvordan den øjeblikkelige multiplikation af to sinusbølger resulterer i amplitudemodulation. Hvis det er muligt, graf det her på en grafregner eller en anden computerplotningsenhed.

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig regne ud denne ene ud på egen hånd!

Bemærkninger:

Multiplikator kredsløb er ganske nyttige, og ikke kun for amplitude modulering. Det faktum, at de kan bruges som amplitudemodulatorer, er dog et begreb, som nogle studerende finder svært at forstå. En illustration, der kan klare ting, er en justerbar spændingsdeler (da multiplikation og division er meget nært beslægtede):

Nu ville et sådant potentiometer kredsløb være fuldstændig upraktisk for enhver modulerende signalfrekvens målt i Hertz, da potentiometeret ville bære meget hurtigt ud af hele bevægelsen. Det er princippet om moduleret spændingsafdeling, at dette kredsløb hjælper med at kommunikere. Multiplikator kredsløb gør det samme, kun multiplicere amplituden af ​​bærebølge signalet i stedet for at dele det.

Spørgsmål 7

En fælles moduleringsteknik anvendt i radio-udsendelse er frekvensmodulering eller FM . Forklar, hvordan et højfrekvente bærebølgesignal ville blive moduleret af et laverefrekvenssignal, såsom i tilfælde af de to signaler, der er vist her i tidsdomænet:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Jeg forventer ikke, at de studerende vil være i stand til præcist at skitsere den modulerede bølgeform, især når transportørens periode er så kort. De bør dog være i stand til at udtrykke den generelle ide om frekvensmodulation i en form for tegning eller skitse, og det er alt, jeg er interesseret i at se fra dem som svar på dette spørgsmål.

Spørgsmål 8

I hjertet af en FM-sender er et kredsløb kaldet en spændingsstyret oscillator eller VCO . Forklar, hvad formålet med en VCO er, og hvordan dette direkte vedrører frekvensmodulering.

Reveal svar Skjul svar

En VCO genererer et AC udgangssignal, hvis frekvens er proportional med en eksternt forsynet indgangsspænding.

Bemærkninger:

Bemærk til dine elever, at VCO-kredsløb ikke kun bruges i FM-radiotransmission. De er også afgørende for funktionen af faselåste sløjfer .

Spørgsmål 9

Dette er en skematisk for en meget simpel VCO:

Oscillatoren er af "Colpitts" design. Nøglen til at forstå dette kredsløbs drift er at vide, hvordan varactor diode reagerer på forskellige mængder af DC bias spænding. Forklar hvordan dette kredsløb fungerer, især hvordan diode udøver kontrol over svingfrekvensen. Hvorfor varierer udgangsfrekvensen, da styrespændingen varierer "# 9"> Reveal svar Skjul svar

Efterhånden som spændingen over varaktordioden ændres, ændrer dens kapacitans.

Udgangsfrekvensen stiger, da styrespændingen bliver mere positiv.

Bemærkninger:

Dette spørgsmål er en god gennemgang af varaktordiodefunktion samt frekvensmoduleringsteori.

Spørgsmål 10

Dette er en skematisk for en simpel VCO:

Oscillatoren er af RC "fase shift" design. Forklar hvordan dette kredsløb fungerer. Hvorfor varierer udgangsfrekvensen, da styrespændingen varierer "# 10"> Reveal svar Skjul svar

For at forstå, hvordan JFET'erne fungerer i dette VCO-design, skal du nøje undersøge områderne "mætning" af en JFETs karakteristiske kurver. Bemærk, at disse regioner vises som næsten lige linjer. Dette angiver noget om opførelsen af ​​en mættet JFET, der udnyttes i dette VCO kredsløb.

Udgangsfrekvensen falder, da styrespændingen bliver mere positiv.

Bemærkninger:

Dette spørgsmål giver ikke blot studerende mulighed for at undersøge, hvordan en VCO fungerer, men det giver også en god gennemgang af JFET-teorien, samt et praktisk eksempel på en særlig anvendelse af krydsfelt-effekt transistorer.

Bemærk: Skematisk diagram for dette kredsløb var afledt af en fundet på side 997 af John Markus '

, første udgave. Tilsyneladende opstod designet fra en Motorola-publikation om anvendelse af felteffekt-transistorer ("Low Frequency Applications of Field Effect Transistors", AN-511, 1971).

Spørgsmål 11

FM har tendens til at være et langt mere støjbestandigt middel til signalmodulering end AM. For eksempel er den "knitrende" form for radiointerferens forårsaget af naturlig lyn eller den "summende" støj, der produceres af højspændingsledninger, både nemme at høre på en AM-radio, men fraværende på en FM-radio. Forklar hvorfor.

Reveal svar Skjul svar

Radiointerferens manifesterer sig som yderligere toppe på "envelope" af en moduleret bærebølge. AM modtagelse er baseret på udtrækningen af ​​denne konvolut fra den modulerede bærer, og så vil AM-modtagere "afhente" uønsket støj. FM modtagelse er baseret på udvindingen af ​​information fra ændringer i frekvens, hvilket i høj grad er upåvirket af støj.

Bemærkninger:

Bed eleverne om at forklare dette princip i deres egne ord, og ikke bare gentage det givne svar.

Spørgsmål 12

Ved transmission af lydinformation (såsom musik og tale) i form af radiobølger, hvorfor genere modulering af et højfrekvente bærebølgesignal? Hvorfor ikke bare tilslutte en kraftig lydforstærker direkte til en antenne og sende lydfrekvenserne direkte?

Reveal svar Skjul svar

Der er flere grunde til, at du ikke vil forsøge at udsende elektromagnetiske (radio) bølger ved lydfrekvenser. Nogle af de vigtigste er anført her:

Antennens nødvendige størrelse.
Lav transmissionseffektivitet fra manglende evne til at matche antennelængden til (ændring) lydfrekvens.
Interferens fra andre (lignende) radiosendere.

Vær rede til at forklare, hvorfor hver af disse faktorer effektivt forbyder radioudsendelser ved lydfrekvenser.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at få eleverne til at forholde sig til deres forståelse af grundlæggende RF og antenne teori til et meget praktisk problem med udsendelse af lavfrekvent information (i dette tilfælde lyd). En sjov øvelse at gøre med dette spørgsmål er at beregne de nødvendige fysiske dimensioner af en kvartbølge (((λ) / 4)) antenne med en frekvens på 2 kHz, idet man husker at λ = v / f og v ≈ 3 × 10 8 meter pr. Sekund.

Spørgsmål 13

Forudsig, hvordan udgangsfrekvensen af ​​dette spændingsstyrede oscillator (VCO) kredsløb vil blive påvirket som følge af de følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Kondensator C 1 fejler åben:
Inductor L 1 fejler åben:
Modstand R 1 fejler åben:
Modstand R 2 fejler åben:
Inductor L 2 fejler delvist kortsluttet:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme. Bemærk: Den spændingsafhængige kapacitans af en varaktordiode er angivet ved følgende ligning:

C j = C o



2V + 1

Hvor,

C J = Junction kapacitans

C o = Koblingskapacitet uden spænding

V = Anvendt omvendt forbindelsespænding

Reveal svar Skjul svar

Kondensator C 1 fejler åben: Udgangsfrekvensen stiger.
Inductor L 1 fejler åben: Udgangsfrekvensen falder.
Modstand R 1 fejler åben: Udgangsfrekvensen falder.
Modstand R 2 fejler åben: Udgangsfrekvensen stiger.
Inductor L 2 fejler delvist kort: Udgangsfrekvensen stiger.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 14

Bestem arbejdsfrekvensen for dette firkantbølgesignal:

Reveal svar Skjul svar

Toldsats ≈ 10%

Bemærkninger:

Dette spørgsmål udfordrer eleverne til at anvende deres viden om arbejdscyklus til et målescenario.

Spørgsmål 15

Bestem arbejdsfrekvensen for dette firkantbølgesignal:

Reveal svar Skjul svar

Toldcyklus ≈ 80%

Bemærkninger:

Dette spørgsmål udfordrer eleverne til at anvende deres viden om arbejdscyklus til et målescenario.

Spørgsmål 16

En resistiv DC-belastning modtager pulsbreddemoduleret (PWM) effekt fra et styringskreds, og et oscilloskop viser belastningsspændingsbølgeformen som sådan:

Beregn arbejdscyklus for denne bølgeform, og også den gennemsnitlige effekt, der afgives af belastningen under forudsætning af en belastningsmodstand på 1, 8 Ω.

Reveal svar Skjul svar

Toldsats ≈ 12, 5%

P gennemsnit ≈ 250 W

Opfølgningsspørgsmål: Hvilke oscilloskopopsætningsparametre (vertikal følsomhed, sondforhold, kobling og timebase) er nødvendige for at udføre disse beregninger "noter skjult"> Noter:

Beregning af arbejdscyklus skal være let. Beregning af belastningseffektudledning kræver noget. Hvis dine elever ikke ved hvordan man beregner gennemsnitskraft, foreslår du dette tankeeksperiment: beregning af strømafledning ved 0% arbejdscyklus, 100% arbejdscyklus og 50% arbejdscyklus. Forholdet mellem arbejdscyklus og gennemsnitlig strømfordeling er ret intuitiv, hvis man overvejer disse forhold.

Hvis der kræves en mere stringent tilgang til at tilfredsstille studentens forespørgsler, kan du ønske at udgive et andet tankeeksperiment: Beregn energien (i enheder af Joules), der leveres til belastningen i en 50% arbejdscyklus, og minder om, at Watts svarer til Joules per sekund. Gennemsnitlig effekt beregnes derefter ved at dividere Joules efter sekunder i løbet af en periode med en eller flere hele bølgeformcykler. Herfra bør det lineære forhold mellem arbejdscyklus og gennemsnitlig strømafledning være tydelig.

Spørgsmål 17

En resistiv DC-belastning modtager pulsbreddemoduleret (PWM) effekt fra et styringskreds, og et oscilloskop viser belastningsspændingsbølgeformen som sådan:

Beregn arbejdscyklus for denne bølgeform, og også den gennemsnitlige effekt, der afledes af belastningen under forudsætning af en belastningsmodstand på 10, 3 Ω.

Reveal svar Skjul svar

Toldsats ≈ 58, 3%

P gennemsnit ≈ 80 W

Opfølgningsspørgsmål: Hvilke oscilloskopopsætningsparametre (vertikal følsomhed, sondforhold, kobling og timebase) er nødvendige for at udføre disse beregninger "noter skjult"> Noter:

Beregning af arbejdscyklus skal være let. Beregning af belastningseffektudledning kræver noget. Hvis dine elever ikke ved hvordan man beregner gennemsnitskraft, foreslår du dette tankeeksperiment: beregning af strømafledning ved 0% arbejdscyklus, 100% arbejdscyklus og 50% arbejdscyklus. Forholdet mellem arbejdscyklus og gennemsnitlig strømfordeling er ret intuitiv, hvis man overvejer disse forhold.

Hvis der kræves en mere stringent tilgang til at tilfredsstille studentens forespørgsler, kan du ønske at udgive et andet tankeeksperiment: Beregn energien (i enheder af Joules), der leveres til belastningen i en 50% arbejdscyklus, og minder om, at Watts svarer til Joules per sekund. Gennemsnitlig effekt beregnes derefter ved at dividere Joules efter sekunder i løbet af en periode med en eller flere hele bølgeformcykler. Herfra bør det lineære forhold mellem arbejdscyklus og gennemsnitlig strømafledning være tydelig.

Spørgsmål 18

Oscillatorkredsløbet i dette diagram genererer en firkantbølge med en justerbar arbejdscyklus:

En studerende ønsker at bruge dette kredsløb som grundlag for en pulsbreddemodulations (PWM) strømstyring til at variere mængden af ​​strøm, der leveres til en DC-belastning. Da oscillatorkredsløbet er bygget til at producere svage signaler og ikke levere strøm direkte til en belastning, tilføjer eleven en power MOSFET for at skifte kraftige belastninger:

Korrelere oscillatorens udgangssignal med pulscyklus. Med andre ord beskrive, hvordan stigninger og fald i signalpligtscyklus påvirker mængden af ​​strøm, der leveres til elmotoren.

Reveal svar Skjul svar

Jo større arbejdscyklus er, jo mere strøm leveres til motoren.

Opfølgningsspørgsmål: Hvordan anbefaler man en passende oscillatorfrekvens bestemmes for denne motorstyringskreds "noter skjult"> Noter:

Spørg eleverne om at identificere, hvilken type MOSFET dette er (type kanal og enten udtømning eller forbedringsmodus), og hvad den korrekte oscillatorsignalamplitude skal være at drive MOSFET skiftevis mellem cutoff og mætning.

Spørgsmål 19

Forklar, hvorfor det er vigtigt for den endelige strømtransistor (er) i et PWM-effektstyringskredsløb at fungere ved fuld afskæring og fuld mætning og ikke i den lineære (aktive) tilstand imellem disse to ekstremer. Hvad kan der ske, hvis strømtransistoren (e) skal være mindre end afskåret eller mindre end mættet, når der bæres belastningsstrøm?

Reveal svar Skjul svar

Transistorens strømafledning vil stige, hvis den opererer i sit "lineære" driftsområde snarere end at blive fuldstændigt afskåret eller mættet. Dette reducerer dets levetid såvel som energieffektiviteten af ​​kredsløbet.

Bemærkninger:

Gennemgå med dine elever hvad det betyder for en transistor at være i "cutoff" eller i "mætning", hvis de ikke er bekendt med disse vilkår, eller hvis det har været et stykke tid siden de har studeret dette. En klar forståelse af dette koncept er afgørende for at de kan forstå effektiviteten af ​​PWM-strømstyringen.

Spørgsmål 20

Hvis et pulsbreddemoduleret (PWM) signal sendes til et passivt integratorkredsløb fra et kredsløb, der kan både sourcing og synkronisering (som det er tilfældet med dual-MOSFET-udgangstrinnet), vil udgangen være en jævnspænding (med nogle krusninger):

Bestem forholdet mellem PWM-signalets driftscyklus og DC-spændingsudgangen fra integratoren. Hvad foreslår dette om PWM som et middel til at formidle information, såsom analoge data fra en måleenhed "# 20"> Reveal svar Skjul svar

Der er et direkte forholdsmæssigt forhold mellem driftscyklus og DC-udgangsspænding i dette kredsløb, hvilket gør det muligt for et PWM-signal at repræsentere analoge data.

Opfølgningsspørgsmål # 1: Hvorfor er det vigtigt, at kredsløbet, der genererer PWM-signalet for integratoren, kan både kilde og synke nuværende?

Opfølgningsproblem nr. 2: Hvad skal der gøres for at reducere kredsløbsspændingen ved integratorens output?

Bemærkninger:

Selv om det ikke bør være vanskeligt for eleverne at skelne mellem forholdet mellem arbejdscyklus og DC-udgangsspænding, kan anvendelsen af ​​dette forhold til datakommunikation være svært for nogle elever at forstå, især på egen hånd. Yderligere udarbejdelse fra din side kan være nødvendigt.

Et glimrende eksempel på dette princip anvendes er dannelsen af ​​en analog spænding ved hjælp af et 1-bit digitalt kredsløb. Denne teknik er nyttig i mikrokontroller systemer, hvor udgangsåbninger kan være knappe, forudsat at krusningsspænding (eller langsom respons) ikke er et problem.

Spørgsmål 21

Plot, hvad frekvensspektret ville se ud til en ren (uforstyrret) 1 MHz sinusbølge:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Dette spørgsmål sondrer elevernes viden om frekvensspektre og logaritmiske skalaer. Bemærk at med en ren sinusbølge er der kun en enkelt top på frekvensspektret.

Spørgsmål 22

Bestem frekvensspektret for et højfrekvens-, sinusbølgebærer-signal, der er amplitudemoduleret (AM) ved hjælp af et lydfrekvens-sinusbølgesignal, som det følgende blokdiagram viser:

Spektrene for disse respektive bølgeformer er vist individuelt:

Plot det modulerede signal spektrum her:

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Hvis det modulerende (lyd) signal blev forøget i frekvens, hvad ville sidebandspektra gøre "noter skjult"> Noter:

Formålet med dette spørgsmål er at få eleverne til at genkende hvor sidebånd kommer fra, og hvordan de vedrører frekvensspektret for den amplitudemodulerede bærebølge.

Hvis nogen tilfældigvis spørger, indebærer den symmetriske positionering af sidebåndene omkring bæreren på svarspektret en lineær frekvensskala.

Spørgsmål 23

Bestem frekvensspektret for et højfrekvens, sinusbølge "bære" -signal, der er amplitudemoduleret (AM) ved et lydfrekvenssignal med eget spektrum. Spektrene for disse respektive bølgeformer er vist individuelt:

Plot det modulerede signal spektrum her:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at få eleverne til at genkende, hvor sidebånd kommer fra, og at genkende deres symmetri om bærestiften.

I tilfælde af at nogen spørger, betyder ligestilling af sidebåndene omkring bæreren på svarspektret en lineær frekvensskala.

Spørgsmål 24

En vigtig måling af pulsbølgeformer er arbejdscyklus . Giv en præcis. matematisk definition for denne periode.

Skriv også en ligningsløsning for pulsbredden angivet arbejdscyklus (D) og frekvens (f).

Reveal svar Skjul svar

"Toldcyklus" er et mål for en pulsbølgeform til tiden i forhold til dens samlede tid (periode):

D = t


t i alt

Jeg vil lade dig regne ud, hvordan man skriver en ligningsopløsning for pulsbredde (t ) med hensyn til arbejdscyklus og frekvens.

Bemærkninger:

Taskcyklus er et meget vigtigt begreb, da analog information kan formidles gennem den variable duty-cyklus af en ellers digital pulsbølgeform. Diskuter denne ansøgning med dine elever, hvis tiden tillader det.

Spørgsmål 25

Bestem arbejdsfrekvensen for dette firkantbølgesignal:

Reveal svar Skjul svar

Toldsats ≈ 38%

Bemærkninger:

Dette spørgsmål udfordrer eleverne til at anvende deres viden om arbejdscyklus til et målescenario.

Spørgsmål 26

Bestem arbejdsfrekvensen for dette firkantbølgesignal:

Reveal svar Skjul svar

Toldsats ≈ 30%

Bemærkninger:

Dette spørgsmål udfordrer eleverne til at anvende deres viden om arbejdscyklus til et målescenario.

Spørgsmål 27

Hvordan ville en permanentmagnet-DC-motor reagere, hvis kontakten i dette kredsløb blev gentagne gange lukket og åbnet med meget høj frekvens "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01104x01.png ">

Ville det rotere med fuld hastighed, lige det samme som om kontakten blev lukket hele tiden? Ville det rotere overhovedet? Forklar dit svar.

Reveal svar Skjul svar

Motoren ville rotere med en hastighed mindre end fuld hastighed.

Opfølgningsspørgsmål: Forklar hvordan dette generelle princip kunne bruges til at styre motorens hastighed.

Bemærkninger:

Da kredsløbet i dette spørgsmål belyser et generelt strømstyringsprincip, ville det være godt at kontrastere det mod andre former for strømstyring. Spørg dine elever om, hvordan de mener, at denne kontrolmetode sammenligner med at placere en variabel modstand i serie med motoren. Er "switching" -metoden mere eller mindre effektiv?

Spørgsmål 28

En resistiv DC-belastning modtager pulsbreddemoduleret (PWM) effekt fra et styringskreds, og et oscilloskop viser belastningsspændingsbølgeformen som sådan:

Beregn arbejdscyklus for denne bølgeform, og også den gennemsnitlige effekt, der afledes af belastningen under forudsætning af en belastningsmodstand på 2, 5 Ω.

Reveal svar Skjul svar

Toldsats ≈ 42%

P gennemsnit ≈ 1, 5 W

Opfølgningsspørgsmål: Hvilke oscilloskopopsætningsparametre (vertikal følsomhed, sondforhold, kobling og timebase) er nødvendige for at udføre disse beregninger "noter skjult"> Noter:

Beregning af arbejdscyklus skal være let. Beregning af belastningseffektudledning kræver noget. Hvis dine elever ikke ved hvordan man beregner gennemsnitskraft, foreslår du dette tankeeksperiment: beregning af strømafledning ved 0% arbejdscyklus, 100% arbejdscyklus og 50% arbejdscyklus. Forholdet mellem arbejdscyklus og gennemsnitlig strømfordeling er ret intuitiv, hvis man overvejer disse forhold.

Hvis der kræves en mere stringent tilgang til at tilfredsstille studentens forespørgsler, kan du ønske at udgive et andet tankeeksperiment: Beregn energien (i enheder af Joules), der leveres til belastningen i en 50% arbejdscyklus, og minder om, at Watts svarer til Joules per sekund. Gennemsnitlig effekt beregnes derefter ved at dividere Joules efter sekunder i løbet af en periode med en eller flere hele bølgeformcykler. Herfra bør det lineære forhold mellem arbejdscyklus og gennemsnitlig strømafledning være tydelig.

Spørgsmål 29

En resistiv DC-belastning modtager pulsbreddemoduleret (PWM) effekt fra et styringskreds, og et oscilloskop viser belastningsspændingsbølgeformen som sådan:

Beregn arbejdscyklus for denne bølgeform, og også den gennemsnitlige effekt, der afgives af belastningen under forudsætning af en belastningsmodstand på 40, 7 Ω.

Reveal svar Skjul svar

Toldcyklus ≈ 71, 4%

P gennemsnit ≈ 344 W

Opfølgningsspørgsmål: Hvilke oscilloskopopsætningsparametre (vertikal følsomhed, sondforhold, kobling og timebase) er nødvendige for at udføre disse beregninger "noter skjult"> Noter:

Beregning af arbejdscyklus skal være let. Beregning af belastningseffektudledning kræver noget. Hvis dine elever ikke ved hvordan man beregner gennemsnitskraft, foreslår du dette tankeeksperiment: beregning af strømafledning ved 0% arbejdscyklus, 100% arbejdscyklus og 50% arbejdscyklus. Forholdet mellem arbejdscyklus og gennemsnitlig strømfordeling er ret intuitiv, hvis man overvejer disse forhold.

Hvis der kræves en mere stringent tilgang til at tilfredsstille studentens forespørgsler, kan du ønske at udgive et andet tankeeksperiment: Beregn energien (i enheder af Joules), der leveres til belastningen i en 50% arbejdscyklus, og minder om, at Watts svarer til Joules per sekund. Gennemsnitlig effekt beregnes derefter ved at dividere Joules efter sekunder i løbet af en periode med en eller flere hele bølgeformcykler. Herfra bør det lineære forhold mellem arbejdscyklus og gennemsnitlig strømafledning være tydelig.

Spørgsmål 30

Hvordan er pulsbreddemodulationens strømstyring ligner den form for kontrol, der udøves af TRIAC'er og SCR'er i vekselstrømskredsløb? Hvordan er det anderledes?

Reveal svar Skjul svar

Som i PWM modulerer vekselstrømskontrolkretserne, der bruger TRIAC- og SCR-enheder, strøm ved at styre den tid, som belastningen modtager strøm fra kilden.

Bemærkninger:

Diskuter med dine elever lighederne og forskellene mellem disse to former for tidsbaseret strømstyring. Selvfølgelig er PWM mere sofistikeret end naturligt kommuterede SCR- og TRIAC-kontrolordninger, men det er også mere komplekst og derfor muligvis mere tilbøjelig til fejl.

Spørgsmål 31

Pulsdensitetsmodulering (PDM) er nært beslægtet med pulsbreddemodulation (PWM). Beskriv lighederne og forskellene i dine egne ord.

Reveal svar Skjul svar

PWM er et ægte analog moduleringsformat, hvor PDM er virkelig digital. Med andre ord er opløsningen af ​​PWM uendelig, mens beslutningen om PDM er endelig.

Bemærkninger:

Det skal bemærkes, at enten pulsstrøm kan omdannes til en analog spænding ved lavpasfiltrering, hvilket gør begge disse modulationsformater meget nyttige.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →