 |
Изучение аналого-цифрового преобразования
|
|
|
|
Лабораторная работа № 1.
Цель лабораторной работы – изучение эффектов, возникающих при преобразовании аналоговых сигналов в цифровую форму.
Рекомендации к выполнению лабораторной работе
Параметры элементов схемы преобразования сигналов рекомендуется задать в виде переменных MATLAB, что является удобным при выполнении исследований и необходимости изменения параметров. Переменные MATLAB могут быть использованы в блоках Simulink.
Ход выполнения лабораторной работы
1. Изучение эффектов, возникающих при преобразовании аналоговых сигналов в цифровую форму.
1.1. Изучение эффекта наложения спектра.
1.1.1. Создать модель для изучения эффекта наложения спектра (рис. Л1.1).
1.1.2. Настроить блоки модели.
Блок Sine Wave моделирует источник переменного синусоидального напряжения. В настройках блока (рис. Л1.2) необходимо задать амплитуду напряжения (поле Amplitude) и его частоту (поле Frequency). Амплитуду оцифровываемого напряжения примем равной 100 В, а частоту – 50 Гц.
Блок Zero-Order Hold выполняет дискретизацию аналогового сигнала. Примем частоту оцифровки сигнала равную 24 выборки за период промышленной частоты, тогда период оцифровки (поле Sample time на рис. Л1.3) будет составлять будет составлять 1/1200 с.
Блок Spectrum Analyzer выполняет построение спектра исследуемого сигнала. Необходимо выполнить следующие действия для настройки данного блока:
- в раскрывающемся списке Type выбрать Power density (отображаем плотность мощности);
- в поле под надписью Full frequency span в раскрывающемся списке выбрать Window length (длина окна БПФ) и напротив данного списка ввести количество точек, приходящееся на период промышленной частоты (24);
- в раскрывающемся списке Window выбрать Rectangular;
|
|
|
- в раскрывающемся списке Units выбрать Watts/Hz;
- убрать галочку Two-sided spectrum.
Рисунок Л1.1 – Модель для изучения эффекта наложения спектра
Рисунок Л1.2 – Настройки блока Sine Wave
Рисунок Л1.3 – Настройки блока Zero-Order Hold
Рисунок Л1.4 – Настройки блока Spectrum Analyzer
1.1.3. Выполнить исследования спектра сигнала при частоте 50; 200; 800; 900; 1000; 1400; 1500; 1600 Гц. Сигнал и его спектр при задаваемых частотах необходимо привести в отчете по лабораторной работе.
1.2. Изучение аналоговой фильтрации сигнала.
1.2.1. Создать модель для изучения эффекта наложения спектра (рис. Л1.5).
1.2.2. Настроить блоки модели.
Настроить блоки Sine Wave, Zero-Order Hold и Spectrum Analyzer в соответствии с пунктом 1.1.2.
Блок Band-Limited White Noise предназначен для генерации белого шума. Настройки блока приведены на рисунке Л1.6.
Блок Analog Filter Design моделирует аналоговый фильтр. В качестве характеристики фильтра выбрать характеристику фильтра Баттерворта, порядок – 16, частота среза – 2000 Гц.
Рисунок Л1.5 – Модель для изучения аналоговой фильтрации сигнала
Рисунок Л1.6 – Настройки блока Band-Limited White Noise
1.2.3. Провести исследование фильтрации сигнала при следующих параметрах:
- частота среза: 600, 1000, 2000, 10000 Гц;
- порядок фильтра: 16, 8, 2;
- тип фильтра: фильтр Баттерворта, фильтр Чебышева, эллиптический фильтр.
1.3. Изучение квантования методом усреднения.
1.3.1. Создать модель для изучения квантования методом усечения (рис. Л1.7).
1.3.2. Настроить блоки модели.
Настроить блоки Zero-Order Hold и Spectrum Analyzer в соответствии с пунктом 1.1.2.
В блоке Sine Wave задать следующие параметры:
– амплитуду сигнала Amp_signal=5 (В);
– частоту сигнала f_signal=50 (Гц).
В параметрах блока Uniform Encoder задать максимальное входное напряжение АЦП U_ADC=5 (В), и разрядность АЦП n=2 (рис. Л1.8).
Аналогично настроить блок Uniform Decoder.
1.3.3. Выполнить исследование шумов квантования при разрядностях 2, 4, 8, 16.
|
|
|
Рисунок Л1.7 – Модель для изучения квантования методом усечения
Рисунок Л1.8 – Настройки блока Uniform Encoder
1.4. Изучение квантования методом округления сигнала.
1.4.1. Создать модель для изучения квантования методом округления сигнала (рис. Л1.9).
1.4.2. Настроить блоки модели.
Настроить блоки Zero-Order Hold и Spectrum Analyzer в соответствии с пунктом 1.1.2. Блок Sine Wave настроить в соответствии с пунктом 1.3.2.
В блоке Quantizer задать интервал квантования и период дискретизации в соответствии с данными, приведенными в пункте 1.1 и 1.3 (рис. Л1.10).
1.4.3. Выполнить исследование шумов квантования при разрядностях 2, 4, 8, 16.
Рисунок Л1.9 – Модель для изучения квантования методом округления сигнала
Рисунок Л1.10 – Настройки блока Quantizer
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
- цель и задание на лабораторную работу;
- результаты исследования эффекта наложения спектров (сигналы и их спектры при разных частотах) с пояснениями;
- результаты исследования аналоговой фильтрации сигналов (сигналы и их спектры до и после фильтра при разных его параметрах) с пояснениями;
- результаты исследования квантования методом усреднения (сигнал и его спектр до квантования, сигнал и его спектр после квантования, шумы квантования) с пояснениями;
- результаты исследования квантования методом округления сигнала (сигнал и его спектр до квантования, сигнал и его спектр после квантования, шумы квантования) с пояснениями.
Перечень вопросов по лабораторной работе
1. Архитектура микропроцессорного устройства релейной защиты и автоматики, назначение основных структурных составляющих.
2. Теорема Котельникова. Явление наложения спектров (алиайзинг) и способы борьбы с ним.
3. Фильтры нижних частот (ФНЧ). Простейшие RC-, LC-фильтры. Фильтры Баттерворта, Чебышева, эллиптический ФНЧ. Их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), достоинства и недостатки.
4. Определение полосы пропускания частотного фильтра. Укажите полосу пропускания, полосу подавления для ФНЧ.
5. Что включает в себя процесс оцифровки аналогового сигнала?
6. Квантование сигнала. Методы квантования сигнала (усечения и округления, пояснить разницу между ними).
|
|
|
7. Мультиплексор. Сколько сигналов подаётся на вход мультиплексора в устройстве МП РЗиА? С помощью какого устройства управляется мультиплексор? Какой вид уплотнения каналов используется в мультиплексоре? Каковы основные недостатки использования мультиплексора?
8. Устройство выборки и хранения (УВХ), назначение и структурная схема. Принцип работы УВХ.
9. Основные параметры и характеристики АЦП.
10. Основные виды аналого-цифровых преобразователей (АЦП). АЦП последовательного приближения, параллельный АЦП, сигма-дельта АЦП.
Лабораторная работа № 2.
|
|
|
