P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

WSTĘP

1. Sygnały i obwody

1.1. Klasyfikacja sygnałów

1.2. Opis albo reprezentacja sygnałów.

a) reprezentacji w dziedzinie (w domenie) czasu - przebieg (wykres w funkcji czasu); mówimy

b) reprezentacji w dziedzinie (w domenie) częstotliwości - widmo amplitudy i widmo fazy; mówimy o opisie widmowym

c) reprezentacja statystyczna

ad.a). Przebieg charakteryzują : kształt (sinusoidalny, piłokształtny, prostokątny, wykładniczy itd. i opisujące go parametry), wartości chwilowe, powtarzalność czy też nie, itp.; Z kolei kształt sygnału można opisać za pomocą parametrów, np.

sinusoidalny: amplituda, częstotliwość, faza początkowa, tłumienie, przesunięcie –

offset, wartość skuteczna itd.),

ad.b)

Opis widmowy sygnału jest w ogólnym przypadku zespoloną funkcją

częstotliwości i opiera się na przekształceniu Fouriera. Widmem sygnału jest zbiór prostych drgań harmonicznych powstałych z rozkładu sygnału.

ad.c)

Opisuje się je też za pomocą właściwości statystycznych: średnia, średnia moc, gęstość prawdopodobieństwa, rozkład (np. normalny Gaussa).

----------------------------------------------------------------------------------------------------

Tablica. Klasyfikacja zakresów częstotliwości podana przez Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE):

Nazwa zakresu

Częstotliwość

Długość fali

ELF (Extreme Low Frequency)

30-300 Hz

10000-1000 km

VF (Voice Frequency)

300-3000 Hz

1000-100 km

VLF (Very Low Frequency)

3-30kHz

100-10 km

LF (Low Frequency)

30-300 kHz

10-1 km

MF (Medium Frequency)

300-3000 kHz

1-0.1 km

HF (High Frequency)

3-30 MHz

100-10 m

VHF (Very High Frequency)

30-300 MHz

10-1 m

TV

UHF (Ultra High Frequency)

300-3000 MHz 100-10 cm

TV

SHF (Super High Frequency)

3-30 GHz

10-1 cm

EHF (Extreme High Frequency)

30-300 GHz

1-0.1 cm

Submilimeter wave

300-3000GHz

1-0.1 mm

W praktyce funkcjonuje uproszczony podział częstotliwości na fale radiowe (RF) do 4

GHz i mikrofale (MW) (systemy radarowe) – powyżej 4 GHz.

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

1

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

1.3. Generowanie, wzmacnianie, przekształcanie i transmisja sygnałów

Wzmacnianie sygnałów.

Współczynnik wzmocnienia układu (wzmacniacza) jest stosunkiem mocy sygnału wyjściowego do mocy sygnału wejściowego, przy danej częstotliwości lub w wyznaczonym zakresie częstotliwości.

P

G

o

=

(1.1)

p

P 1

Alternatywnym sposobem opisu wzmocnienia mocy jest stosunek logarytmiczny, w jednostkach zwanych bel, lub decybel . Równanie wyrażające moc w decybelach ma postać:

 P 

G

o

=10log

dB

(1.2)

p

 

P

 i 

Przyjęto, że, wzmocnienie napięciowe jest wyznaczane w decybelach wynosi

 V 

G = 20 log

o

.

dB

v





V



(1.5)

i 

Przykład 1.1.

Dwa wzmacniacze o wzmocnieniach napięciowych 20 i 40 są połączone kaskadowo. Jaki jest ich wspólny współczynnik wzmocnienia wyrażony w V/V i w dB.

Obliczenie wzmocnienia wzmacniaczy

U

U

wy

wy

U

K =

=

⋅

= K ⋅ K

u

u 2

u 1

U

U

U

we

we

20

40

K

K

K

u =

u

⋅ u = 20 ⋅ 40 = 800

1

2

Wzmocnienie kaskady w decybelach

K

= 20log( K ) = 20log( K ⋅ K ) = 20log K + 20log K = K

+ K

u( dB)

u

u 1

u 2

u 1

u 2

u (

1 dB)

u 2( dB)

K

= 20lo U

g(

/ U

) dB =

(

20 log

)

20 dB ≈

dB

26

u (

1 dB)

we

K

= 20lo U

g(

/ U ) dB =

(

20 log

)

40 dB ≈ 32 dB

u 2( dB)

wy

K

= K

+ K

= 26 + 32 = dB

58

u( dB)

u (

1 dB)

u 2( dB)

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

2

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

C. Transmisja (przenoszenie) sygnałów

Sygnał wejściowy ulega zniekształceniu w układzie elektronicznym. Istnieją trzy podstawowe rodzaje zniekształceń: a) amplitudowe (tłumieniowe), b) fazowe i c) nieliniowe;

a) – układ wzmacnia w różnym stopniu sygnał o różnych częstotliwościach zmieniając proporcje sygnału wejściowego; zniekształcenia wprowadzone przez układ są przedstawiane za pomocą zależności amplitudy sygnałów wyjściowych w funkcji częstotliwości, przy założeniu niezmienności amplitudy sygnałów wejściowych (charakterystyka częstotliwościowa),

b) – sygnały o różnych częstotliwościach pojawiają się na wyjściu w różnym czasie,

c) – zmianie ulega kształt przebiegu sygnału; w wyniku odkształcenia przebiegu okresowego w sygnale wyjściowym są obecne się składowe, których nie było w sygnale wejściowym.

1.4. Elementy analizy układów liniowych

1.4.1. Transmitancja operatorowa:

Układ liniowy o elementach skupionych i stacjonarnych (współczynniki nie są funkcjami czasu) może być opisany za pomocą funkcji operatorowej o postaci ogólnej:

−

Y ( s)

m

m 1

b s + b

s

−

+ ...+ b s + b

b ( s − z )( s − z )...( s − z ) K ( s)

m

m 1

1

o

m

1

2

m

=

=

=

X ( s)

n

n 1

a s + a

s −

−

+ ...+ a s + a

a ( s − p )( s − p )...( s − p ) n

n 1

1

o

n

1

2

n

(1.6)

gdzie: Y(s) i X(s) – odpowiednio wyrażenia w liczniku i mianowniku transmitancji, m < n.

bi, aj – liczby rzeczywiste,

zi, pj – zera i bieguny funkcji (przy wartościach zmiennej zespolonej zi, pj, licznik oraz mianownik są równe zeru.

Transmitancja operatorowa układu jest jednoznacznie określona rozkładem zer i biegunów na płaszczyźnie zmiennej zespolonej S i stałym współczynnikiem bm /an.

(Zera i bieguny są albo rzeczywiste albo występują parami jako wielkości sprzężone – gdy są zespolone.

Sygnałami wejściowymi i wyjściowymi w układach elektronicznych są przebiegi prądów i napięć na wejściu i wyjściu układu. Przykładami transmitancji są: J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

3

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

U ( s)

K ( s)

2

=

- transmitancja lub wzmocnienie napięciowe,

u

U ( s)

1

I ( s)

K ( s)

2

=

- transmitancja lub wzmocnienie prądowe,

i

I ( s)

1

U ( s)

K ( s)

2

=

- transimpedancja wzmocnienie napięciowo-prądowe,

z

I ( s)

1

I ( s)

K ( s)

2

=

- transadmitancja lub wzmocnienie prądowo-napięciowe.

y

U ( s)

1

1.4.2. Transmitancja widmowa (częstotliwościowa):

W przypadku sygnałów sinusoidalnych, operatorową funkcję przejścia układu (dla stanu ustalonego)

Y ( s)

K ( s) =

(1.7)

X ( s)

gdzie: X ( s) = {

L x( t)} - operatorowa funkcja sygnału wejściowego,

Y ( s) = {

L y( t)} - operatorowa funkcja sygnału wyjściowego.

można

przekształcić

w

transmitancję

częstotliwościową

przez

formalne

podstawienie s = jω.

Y ( jω)

K ( jω) =

(1.8)

X ( jω)

Transmitancja częstotliwościowa opisuje właściwości układu w dziedzinie częstotliwości.

Postać ogólna, analogiczna do wyrażenia (1.8) jest następująca:

−

Y ( jω)

b ( jω) m + b

( jω) m 1

ω

−

+ ...+ b ( j ) + b

K ( jω)

m

m 1

1

o

=

=

X ( jω)

a ( jω) n + a

( jω) n 1

−

ω

−

+ ...+ a ( j ) + a

n

n 1

1

o

(1.9)

b ( jω − z )( jω − z )...( jω − z ) m

1

2

m

= a ( jω − p )( jω − p )...( jω − p ) n

1

2

n

Inne postaci transmitancji częstotliwościowej:

K ( jω) |

= K( jω) | [cos ϕ( ω) + j sin ϕ( ω)]

(1.10a)

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

4

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

ϕ

j

ω

( )

K ( jω) = P( ω) + jQ( ω) |

= K( jω) | e

(1.10b)

Transmitancja częstotliwościowa umożliwia wyznaczyć dwie podstawowe charakterystyki częstotliwościowe układu:

- charakterystykę amplitudową:

| K ( jω) |

2

= P ( ω)

2

+ Q ( ω) ,

(1.11)

- charakterystykę fazową:

Q( ω)

ϕ( ω) = arctg

.

(1.12)

P( ω)

Charakterystyka amplitudowa określa zmienność wzmocnienia (tłumienia) amplitudy sygnałów sinusoidalnych o różnych częstotliwościach. Charakterystykę amplitudową przedstawia się zazwyczaj w skali decybelowej tj. logarytmicznej przy podstawie 10.

Charakterystyka fazowa określa przesuniecie fazy sygnału wyjściowego względem fazy sygnału wejściowego przy różnych częstotliwościach.

Właściwości fazowe układu określa się za pomocą opóźnienia

ϕ

d

ω

τ ω

( )

( ) = −

ω

(1.13)

d

1.4.3. Rozkład Fouriera

Fourier wykazał, że dowolny, powtarzalny przebieg f(t) można zastąpić przez sumę (nieskończonej ilości) przebiegów sinusoidalnych o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości przebiegu podstawowego, tj. jego harmonicznymi.

f ( t) = A + A cos( ω t + ϕ ) + A cos(2 ω t + ϕ ) + A co 3

s( ω t + ϕ ) +

o

1

1

1

2

1

2

3

1

3

(1.14)

... + A cos( nω t + ϕ )

n

1

n

1

π

gdzie f =

. A ω

2

= 2 f =

1

π

1

T

1

T

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

5

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

Fourier pokazał też sposób obliczenia amplitud, częstotliwości oraz faz poszczególnych składowych, (Analiza Fouriera), których sumowanie daje wyjściowy przebieg okresowy (Synteza Fouriera).

1.4.4. Synteza Fouriera – odwrotny proces polegający na znalezieniu przebiegu z sumowania poszczególnych przebiegów sinusoidalnych.

A cos( nω t + ϕ ) = x sin nω + y cos nω t (1.15)

n

1

n

n

1

n

1

gdzie:

2

2

x

A =

x

+ y ,

n

ϕ

tg 1

−

=

n

n

n

n

n

y

Amplitudy xn, yn, a zatem i amplitudy i fazy wszystkich składowych harmonicznych, występujących w równaniu (1.15) wyznacza się z następujących zależności:

T

2

T

2

T

1

x

f t

( )sin( nω t) dt , y

f t

( ) cos( nω t) dt , A

f ( t) dt (1.16)

o =

∫

n =

∫

n =

∫

T

1

T

1

T

0

0

0

1.5. Analiza obwodów RC, RL i RLC przy wymuszeniu sygnałem sinusoidalnym 1.5.1. Szeregowy obwód RC zasilany z źródła napięcia przemiennego

I

UR

0

U

f =

R

U

UL

R

U

UC

U

C

U

U

R

C

f

f = 0

f

Rys. a) Schemat obwodu, b) wykres wskazowy, c) odpowiedź częstotliwościowa Wykres wskazowy:

Wektor prądu przyjęto jako odniesienie gdyż jest wspólny dla obu elementów R i C; w fazie z prądem jest napięcie na oporniku a napięcie na kondensatorze jest opóźnione w fazie o 90oel względem prądu.

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

6

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

| u | |

= U | cos

R

we

ϕ

| u | |

= U | sin

C

we

ϕ

X

ϕ =

1

1

ar

C

ctg

, X

=

=

R

C

C

ω

2 f

π ⋅ C

Jeśli przyjąć, że napięcie źródła ma stałą amplitudę w całym pasmie częstotliwości, to miejscem geometrycznym wierzchołka trójkąta napięć jest okrąg o promieniu |Uwe|.

Uproszczona interpretacja właściwości obwodu jest następująca:

A: Przy f = ∞ , jest: X

, u

, ϕ = 0 , u = i ⋅ R = u , kondensator C = 0

C = 0

R

we

może być uważany za zwarty a cały sygnał wejściowy odkłada się na rezystorze.

Obwód ma charakter filtru górnoprzepustowego albo charakter filtru w.cz.

Na podstawie odpowiedzi częstotliwościowej z rys. c) widać, że ze wzrostem częstotliwości napięcie na rezystancji staje się bliskie napięciu wejściowemu.

B: Przy f = 0 (zasilanie d.c.), jest: X

, u

= u

o

ϕ = 90 , i = 0 , u

,

R = 0

C = ∞

C

we

kondensator może być uważany za rozwarty a cały sygnał wejściowy odkłada się na kondensatorze. Obwód ma charakter filtru dolnoprzepustowego albo filtru m.

częstotliwości. Na podstawie odpowiedzi częstotliwościowej z rys.c) widać, że ze zmniejszaniem się częstotliwości wzrasta napięcie na kondensatorze aż staje się równe sygnałowi wejściowemu.

Analiza wzmocnienia napięciowego układu RC

I. Wzmocnienie napięciowe układu przyjmując za sygnał wyjściowy napięcie na kondensatorze.

UR

I

R

U

=U

C

U =U

we

C

wy

Równania obwodu w postaci czasowej (różniczkowe)

u

= u + u , u = u

we

R

C

wy

C

1

1

u

u

wy =

∫ idt

we = iR +

∫ idt

C

C

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

7

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

A. Zapis operatorowy (Laplace’a)

1

1

U ( s) = RI ( s) +

I ( s)

U

( s) =

I ( s)

we

Cs

wy

Cs

1 I( s

U

( s

)

)

wy

Cs

1

1

K ( s) =

=

=

=

u

U ( s)

1

1+ sRC

1+

we

τ

s

RI ( s) +

I ( s)

Cs

B. Zapis symboliczny

1

1

u

= iR + i(− jX ) = i( R − j

)

u

= u = i(− jX ) = − i( j

)

we

C

C

ω

wy

C

C

C

ω

 1 

− i j



u





−

wy

ωC

j

1

1

K ( j

=

=

=

=

=

, (1.16)

u

ω) u



1 

− j +

+

we

ωRC 1 jωRC

ω

i R − j



1 + j



ωC 

ω 0

1

1

gdzie: ω = π

2 f

.

o =

=

0

RC

τ

Aby zilustrować właściwości układu przy zmianach częstotliwości można wyznaczyć a następnie wykreślić: albo charakterystykę amplitudowo-fazową albo amplitudową oraz fazową rozdzielnie.

W tym celu, w drugim przypadku, można zastosowano uproszczoną metodę graficzną wyznaczając asymptoty przebiegów (dobierając odpowiednie wartości częstotliwości f względem częstotliwości charakterystycznej fo).

1 − jωRC

K ( j

=

u

ω)

1

( − jωRC 1

)( + jωRC)

(1.17)

1

ωRC

=

− j ⋅

= P( ω) + jQ( ω)

1 + ( ωRC)2

1 + ( ωRC)2

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

8

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

2

2



1





RC

ω



K ( jω)

u

=

+



2 





2 



1 + ( ωRC)

1





+ ( RC

ω

)





1

1

1

=

=

=

(1.18)

2

2

2

1 + ( RC

ω

)

 ω 

 f 

1 +

1 +









 ω

f

0 

 0 

(− ωRC 1

)( + ( ωRC))2

 f 

ϕ( ω) = a [

rc tg

] = a [

rc tg(− RC

ω

)] = − a [

rc tg

]





1 + ( RC

ω

)

 f 0 

(1.19)

Charakterystyka częstotliwościowa – amplitudowa, logarytmiczna (decybelowa) 2

1

 f 

K

(1.20)

u

= 20log

= 20log1− 20log 1+

dB





2

 f 

 f 0 

1 +  

 f 0 



2

 f ≈ 0



 f = 0 

20log1 − 20log 1 +

=









0

f







0







2





 f 

f = f

20log1 − 20log 1 +

0

≈ −

 

dB

3



0



 f 0 



K

dla : 

u

=

dB





2

10 f 



20log1− 20log 1+

0

≈ − dB

20

 f = 10 f







 f



0

0









2

100 f 



20log1− 20log 1+

0

≈ − dB

40











 f

 f =

0





100 f 0

przy częstotliwości granicznej f

, rzeczywista wartość wzmocnienia jest

0 = f g

mniejsza o -3dB od wartości wynikającej z przebiegu asymptot podczas, gdy pozostałe obliczone wartości są dobrze aproksymowane przez asymptoty.

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

9

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

Charakterystyka fazowa zwykle jest przedstawiana we współrzędnych liniowych.





 f = 0

f ≈ 0 

− arc tg

=



 0







f



0









f 

ϕ =



−

0

arc tg

= −





0

45

dla :  f = f





f

0

0 









 ∞ 

− arc tg

= − 0









90





f



0 

 f = ∞

Charakterystyka rzeczywista jest aprosymowana odcinkami (tzw. aproksymacja odcinkowo liniowa): poziomą półprostą, odcinkiem prostej przechodzącym przez punkt

0

ϕ = 45

−

, f = f i nachylonym

450

−

/ dek oraz przy wysokich

0

częstotliwościach poziomą półprostą.

a) b)

|K |dB |K |

u

u

0,01 0,1 1 10 100

o

0 1

0

-3 ~ 0,707

f/fo

o

-20 0,1

-45

f/f

o

o

-40 0,01

-90 0,01 0,1 1 10 100

Rys.

II. Wzmocnienie napięciowe układu przyjmując za sygnał wyjściowy napięcie na oporniku.

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

10

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

UC

I

C

U

=U

R

U =U

we

R

wy

Równania obwodu w postaci czasowej (różniczkowe)

u

= u + u , u = u

we

R

C

wy

R

1

u

u

= i ⋅ R

we = iR +

∫ idt

C

wy

A. Zapis operatorowy (Laplace’a)

1

U ( s) = RI ( s) +

I ( s)

U

( s) = R ⋅ I ( s)

we

Cs

wy

U

( s)

wy

RI ( s)

1

1

K ( s) =

=

=

=

u

U ( s)

1

1

1

we

RI ( s) +

I ( s)

1+

1+

Cs

sRC

τ

s

B. Zapis symboliczny

1

u

= iR + i(− jX ) = i( R − j

)

u

= u = i ⋅ R

we

C

C

ω

wy

R

uwy

iR

K ( j

=

=

=

=

=

,

u

ω

1

1

1

)

u



1 

1

τ

ω 0

we

i R − j

 1− j

1− j

1− j



ωC 

ωRC

ω

ω

1

gdzie ω

1

=

=

0

RC

τ

Wzmocnienie obwodu można wyznaczyć za pomocą rachunku zespolonego (jw.), po czym wykreślić charakterystykę częstotliwościową modułu oraz fazy ilustrujące właściwości wzmacniacza w funkcji częstotliwości. W tym celu można zastosowano uproszczoną metodę graficzną wyznaczając asymptoty przebiegów (po dobraniu odpowiednich wartości ω).

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

11

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

2

2



1





RC

ω



1

1

K ( jω)

u

=

+

=

=



2 





2 



2

2

1 + ( RC

ω

)

1





+ ( RC

ω

)





1 + ( RC

ω

)

 f 

1 +  

 f 0 

(− ωRC 1

)( + ( ωRC))2

 ω 

ϕ( ω) + a [

rc tg

] = a [

rc tg(− ωRC)] = − a [

rc tg

]





1 + ( ωRC)

 ω 0 

Charakterystyka częstotliwościowa - amplitudowa

2

1

 f 

K

u

= 20log

= 20log1− 20log 1+

dB





2

 f 

 f 0 

1 +  

 f 0 



2

 f ≈ 0



 f = 0 

20 log1 − 20 log 1 +

=









0

f







0







2





 f 

f = f

20 log1 − 20 log 1 +

0

≈ −





dB

3



0



 f 0 



K

dla : 

u

=

dB





2

10 f 



20log1− 20log 1+

0

≈ −20 dB

 f = 10 f







 f

0

0











2

100 f 



20log1− 20log 1+

0

≈ −40 dB











 f

 f =

0





100 f 0

przy częstotliwości granicznej f , rzeczywista wartość wzmocnienia jest mniejsza 0

o -3dB od wartości wynikającej z przebiegu asymptot podczas, gdy pozostałe obliczone wartości są dobrze aproksymowane przez asymptoty.

Charakterystyka częstotliwościowa – fazowa zazwyczaj jest przedstawiana we współrzędnych liniowych.

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

12

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31





 f = 0

f ≈ 0 

− arc tg

=



 0







f



0









f 

ϕ =



−

0

arc tg

= −





0

45

dla :  f = f





f

0

0 









 ∞ 

− arc tg

= − 0









90





f



0 

 f = ∞

Charakterystyka rzeczywista jest aprosymowana odcinkami (tzw. aproksymacja odcinkowo liniowa): poziomą półprostą, odcinkiem prostej przechodzącym przez punkt

0

ϕ = 45

−

, f = f i nachylonym

450

−

/ dek oraz przy wysokich

0

częstotliwościach poziomą półprostą.

a) b)

|K |dB |K |

u

u

0,01 0,1 1 10 100

o

0 1

90

-3 ~ 0,707

f/fo

o

-20 0,1

45

f/f

o

o

-40 0,01

0 0,01 0,1 1 10 100

Rys.

................................................................................................................................

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

13

P1 SYGNAŁY I OBWODY 31

a) b)

R

IR

U

C

U

I

C

R

C

c) L

d)

IL

U

R

U

I

R

L

R

1

1

K ( s) =

;

K ( s) =

u

1 + sRC

u

L

1 + s R

Rys. Obwody RC i RL realizujące jednobiegunową funkcję dolnoprzepustową

a) C

b)

U

R

U

I

R

C

R

c) R

d)

IR

U

L

U

I

L

R

L

s

s

K ( s) =

;

K ( s) =

u

1

u

R

s +

s +

RC

L

Rys. Obwody RC i RL realizujące jednobiegunową funkcję górnoprzepustową

J.Piłaciński: Materiały pomocnicze do wykładu

14