ИЗУЧЕНИЕ МОДУЛЯ РАСШИРЕНИЯ FOTEx

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение основ функционирования современных контрольно-измерительных приборов

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Модуль расширения Emona FOTEx используется для выполнения экспериментов на лабораторной станции NI ELVIS, что помогает ознакомиться с ключевыми принципами телекоммуникаций в целом и связи по оптоволокну, в частности. Emona FOTEx позволяет применять широко распространенные методики цифровых телекоммуникаций как в медной, так и в оптоволоконной среде, а также исследовать реальные характеристики оптоволокна.

Одна из главных задач телекоммуникаций - позволить людям говорить друг с другом. Поэтому при моделировании оптоволоконных систем телекоммуникаций важно использовать речевые сигналы. Emona FOTEx позволяет вам делать это при помощи модуля преобразователя речевых сигналов (Speech module).

Усилители широко используются в связном и телекоммуникационном оборудовании для того, чтобы сделать сигнал больше. Они также используются как согласующий элемент между устройствами и цепями, которые не могут быть соединены напрямую. Модуль Amplifier (усилитель) Emona FOTEx может выполнять обе функции. Далее вы изучите работу и характеристики модуля усилителя и используете его для прослушивания сигналов в наушниках.

Фильтры также широко распространены в телекоммуникационном оборудовании. Они пропускают или подавляют сигналы в зависимости от их частот. Другими словами, фильтры предназначены для пропускания сигналов с определенными частотами со входа на выход практически без изменения, в то же время подавляя сигналы с другими частотами.

В состав Emona FOTEx входят два фильтра нижних частот (ФНЧ), которые пропускают сигналы с относительно низкими частотами и задерживают высокочастотные гармоники. Порог, выше которого начинается подавление сигнала, называется частотой среза (cut-off frequency), и определяется конструкцией фильтра. У одного из ФНЧ-модулей Emona FOTEx частота среза равна 1кГц, а у другого – 3 кГц. Далее вы сможете сравнить эффективность этих фильтров.

Оборудование для выполнения лабораторной работы:

· Персональный компьютер с соответствующим установленным программным обеспечением

· NI ELVIS II с USB-кабелем и блоком питания

· Модуль расширения Emona FOTEx для выполнения экспериментов

· Два проводника с разъѐмами BNC - "банан" (2 мм)

· Набор соединительных проводников с разъѐмами типа "банан" (2 мм)

· Стереонаушники

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Соберите схему, показанную на рис. 1 ниже.

Используйте соединительный проводник с разъемами BNC - "банан" и бусинкой зеленого цвета, поскольку это совпадает с цветом осциллограммы канала 0 осциллографа.

Рисунок 1

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 2.

Рисунок 2

Master Signals – генератор опорных сигналов, To CH 0 – к каналу 0

2. Запустите на исполнение осциллограф NI ELVIS II и настройте его согласно инструкции в работе 1, за исключением следующего изменения:

элемент управления Input Coupling (Связь входа с источником сигнала) установите в положение DC (по постоянному току) вместо AC (по переменному току)

3. Отрегулируйте элемент управления Timebase (Масштаб по оси времени) осциллографа так, чтобы видеть примерно два (или немного больше) периодов синусоиды 2 кГц с выхода 2kHz SINE модуля опорных сигналов (Master Signals).

4. Используйте функцию измерения осциллографа, чтобы определить пиковую амплитуду (размах) сигнала с выхода 2kHz SINE модуля опорных сигналов (Master Signals). Запишите результат в таблицу 1.

5. Измерьте и запишите частоту сигнала с выхода 2kHz SINE (синусоида 2 кГц) модуля опорных сигналов (Master Signals).

6. Определите, является ли сигнал униполярным или биполярным.

Примечание: Чтобы это сделать, внимательно посмотрите на линию 0 В посреди экрана осциллографа. Если пики синусоидального сигнала находятся выше и ниже этой линии, сигнал биполярный. Если нет, сигнал униполярный.

7. Установите элемент управления Trigger Level (уровень запуска) осциллографа на 2.5 В вместо 0 В.

8. Повторите шаги с 5 по 7 для четырех других выходов модуля опорных сигналов (Master Signals).

Примечание: Вам потребуется подстраивать масштаб по оси времени осциллографа для каждого сигнала.

Таблица 1.

	Амплитуда	Частота	Полярность
2kHz SINE (2 кГц синус)
500 Hz DIGITAL (500 Гц - цифровой)
2 kHz DIGITAL (2 кГц - цифровой)
10 kHz DIGITAL (10 кГц - цифровой)
100 kHz DIGITAL (100 кГц - цифровой)

Часть B – Модуль преобразователя речевых сигналов (Speech)

9. Отключите осциллограф от модуля опорных сигналов (Master Signals)

10. Установите элемент управления Timebase (Масштаб по оси времени) осциллографа в положение 2ms/div (2мс/дел.).

11. Установите элемент управления Trigger Level (уровень запуска) осциллографа в положение 0 В.

12. Соберите схему, изображенную на рис. 3.

Примечание: Черный штекер кабеля осциллографа вставьте в гнездо заземления (GND).

Рисунок 3

13. Говорите и шумите в микрофон, наблюдая за экраном осциллографа. Скажите несколько раз "один" и "два".

Часть C – Модуль усилителя (Amplifier)

14. Отсоедините осциллограф от модуля преобразования речевых сигналов.

15. Найдите модуль Amplifier и установите элемент управления Gain (коэффициент усиления ) примерно на треть от полной шкалы.

16. Соберите схему, изображенную на рис. 4.

Используйте соединительный проводник с разъемами BNC - "банан" и бусинкой голубого цвета, поскольку это совпадает с цветом осциллограммы канала 1 осциллографа

Примечание: Черный штекер кабеля осциллографа вставьте в гнездо заземления (GND).

Рисунок 4

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 5.

Рисунок 5

Master Signals – генератор опорных сигналов, Amplifier – усилитель, To CH 0 – к каналу 0, To CH 1 – к каналу 1

17. Настройте регулятором Timebase (Масштаб по оси времени) осциллограф так, чтобы видеть примерно два периода входного сигнала усилителя.

18. Активируйте канал 1 осциллографа, поставив флажок в окне Channel 1 Enabled (разрешить канал 1), как показано на рис. 6.

Примечание: Возможно, вам понадобится настроить управляющий элемент Scale (масштаб) канала 1, чтобы увидеть сигнал целиком.

Рисунок 6

19. Измерьте пиковую амплитуду (двойной размах) входного сигнала усилителя. Запишите результаты измерений в Таблицу 2.

20. Измерьте и запишите амплитуду выходного сигнала усилителя.

Таблица 2

Входное напряжение	Выходное напряжение

Величина, показывающая во сколько раз выходное напряжение усилителя больше входного, называется усилением по напряжению (voltage gain – AV). Усиление по напряжению может быть выражено простым отношением и вычислено при помощи уравнения:

Важно отметить, что если выходной сигнал усилителя "перевернут" относительно входного, то перед значением коэффициента усиления ставится знак минуса, чтобы подчеркнуть этот факт.

22. Установите элемент управления Channel 1 Scale (масштаб канала 1) осциллографа в положение 100mV/div (100мВ/дел.)

22. Поверните элемент управления Gain (Усиление) модуля усилителя против часовой стрелки до упора, затем немного поверните его по часовой стрелке настолько, чтобы можно было рассмотреть синусоиду.

23. Измерьте и запишите амплитуду вновь полученного выходного сигнала модуля усилителя.

24. Рассчитайте новый коэффициент усиления как отношение и в децибелах.

Таблица 3

Входное напряжение	Выходное напряжение	Коэффициент усиления (отношение)	Коэффициент усиления (децибелы)
См.Таблица 2

Ограничение обычно возникает, когда входной сигнал усилителя слишком велик для коэффициента усиления усилителя. Если это происходит, говорят, что усилитель перегружен. Данная ситуация может возникать также, когда коэффициент усиления усилителя слишком большой для входного сигнала. Чтобы продемонстрировать ограничение:

25 Поверните регулятор Gain (Усиление) до упора по часовой стрелке.

26. Измените осциллограмму выходного сигнала, настроив должным образом масштаб по вертикали (Scale) канала 1 осциллографа.

27. Поверните элемент управления Gain (Усиление) модуля Amplifier против часовой стрелки до упора.

Наушники – типичный прибор с низким внутренним сопротивлением (импедансом), обычно около 50 Ом. Большинство электронных схем не рассчитаны на подключение к их выходу такого низкого сопротивления. По этой причине наушники нельзя напрямую подсоединять к выходам большинства модулей Emona FOTEx.

Однако модуль Amplifier специально спроектирован, чтобы работать с низкими сопротивлениями нагрузки. Таким образом, он может работать как буфер между выходами модулей и наушниками, чтобы сигналы можно было услышать. Следующая часть эксперимента показывает, как это делается.

28. Убедитесь, что регулятор Gain (Усиление) модуля Amplifier повѐрнут против часовой стрелки до упора.

29. Не одевая наушников, подсоедините их к гнезду для наушников модуля усилителя

30. Наденьте наушники.

31. Поворачивайте регулятор Gain (Усиление) модуля Amplifier по часовой стрелке и слушайте сигнал.

32. Отсоедините штекеры от выхода 2kHz SINE модуля Master Signals (синусоида 2кГц модуля опорных сигналов) и подсоедините их к выходу модуля Speech (Модуль преобразователя речевых сигналов).

33. Говорите в микрофон и слушайте сигнал.

Часть D – Фильтры нижних частот с частотами среза 1кГц и 3кГц

34. Разберите собранную схему.

35. Запустите ВП Function Generator (Генератор функций) NI ELVIS II.

36. Настройте генератор функций, чтобы он выдавал на выходе сигнал со следующими характеристиками:

· Waveshape: Sine (Форма сигнала: синусоидальный)

· Frequency: 500 Hz (Частота: 500 Гц)

· Amplitude: 4V (Амплитуда: 4В)

· DC Offset: 0V (Смещение постоянной составляющей: 0В)

· Modulation Type: None (Тип модуляции: нет)

37. Соберите схему, показанную на рис. 7.

Примечание: вставьте черный штекер кабеля осциллографа в гнездо заземления (GND).

Рисунок 7

38. Используйте осциллограф для проверки правильности задания параметров сигнала.

39. Измените собранную схему в соответствии с рис. 8.

Используйте кабель с разъемами BNC - "банан" и бусинкой красного цвета для подключения ко входу TRIG осциллографа.

Рисунок 8

Выполненные подключения могут быть представлены блок-схемой, изображенной на рис. 9. Как видите, выход генератора функций подключен ко входу обоих фильтров. В канале 0 осциллографа будет отображаться выходной сигнал фильтра с частотой среза 1 кГц, в канале 1 – фильтра с частотой среза 3 кГц. Поскольку сигналы, в конечном счете, станут маленькими, осциллограф не сможет их использовать для надежного запуска. Поэтому выход SYNC (синхронизация) генератора функций используется для запуска осциллографа и получения устойчивых осциллограмм.

Рисунок 9

Function Generator – генератор функций, SYNC to TRIG – синхронизация на вход запуска, 3 kHz LPF – ФНЧ с частотой среза 3 кГц, 1 kHz LPF – ФНЧ с частотой среза 1 кГц, Output to CH 1 – выход к каналу 1, Output to CH 0 – выход к каналу 0

40. Убедитесь, что элемент управления генератора функций Signal Route (подключение сигналов) (расположен рядом в нижнем правом углу лицевой панели VI) установлен в положение Prototyping Board (Макетная плата).

Важно! При использовании внешнего входа запуска осциллографа (TRIG) одновременно с генератором функций, появляется возможность аппаратного конфликта. Это происходит из-за того, что разъем входа TRIG является также и выходом для генератора функций, когда элемент управления Signal Route (подключение сигналов) установлен в положение FGEN BNC.

Во избежание аппаратных конфликтов всегда устанавливайте элемент Signal Route в положение Prototyping Board (Макетная плата).

41. Установите Trigger Type (тип запуска) осциллографа в положение Digital (цифровой).

42. Измерьте выходное напряжение обоих фильтров. Запишите результаты в таблицу 4.

43. Рассчитайте коэффициент передачи обоих фильтров (в децибелах).

44. Установите частоту генератора функций равной 1 кГц и повторите действия по п.п. 42-43.

45. Повторите действия со всеми частотами, указанными в таблице 4.

Примечание: Для каждой частоты настройте должным образом осциллограф, чтобы осциллограмма была не слишком мала для измерения.

Таблица 4

Лабораторная работа № 3

ИМПУЛЬСНО-КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ИКМ)