Рабочая программа методические указания контрольные задания для студентов специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника» заочной формы обучения
| Вид материала | Рабочая программа |
- Финанс ы методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения, 825.1kb.
- Низкотемпературных и пищевых технологий, 526.64kb.
- Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения Составитель:, 672.87kb.
- Методические указания и контрольные задания для студентов заочной и очно-заочной форм, 985.16kb.
- Методические указания к практическим занятиям для студентов экономических специальностей, 560.21kb.
- Программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности, 1197.59kb.
- Программа, методические указания и контрольные задания по дисциплине концепции современного, 717.75kb.
- Программа, методические указания и контрольные задания по учебной дисциплине «риторика», 1732.52kb.
- Учебно-методический комплекс Рабочая учебная программа Методические указания и индивидуальные, 2260.36kb.
- Методические указания и контрольные задания для студентов 1 курса железнодорожных специальностей, 785.04kb.
Министерство образования Республики Беларусь
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра метрологии и стандартизации
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
для студентов специальности
1-36 04 02 «Промышленная электроника»
заочной формы обучения
Минск 2010
УДК
ББК
Составитель: В. Г. Басов
Теоретические основы информационно-измерительной техники; рабочая программа. Методические указания. Контрольные задания для студ. спец. 1-36 04 02
«Промышленная электроника» заоч. формы обуч. / сост. В. Г. Басов. – Минск : БГУИР, 2010. – с.
ISBN
Приведена рабочая программа дисциплины, даны методические указания по ее изучению, представлены варианты заданий на контрольную работу.
УДК
ББК
ISBN
© Басов В. Г., составление, 2010
© УО «Белорусский государственный
университет информатики
и радиоэлектроники», 2010
1. ЦЕЛИ и ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1 Цель изучения дисциплины
Цель изучения дисциплины «Теоретические основы информационно-измерительной техники» состоит в ознакомлении с классификацией измерительных информационных сигналов, способов описания, получения и передачи их на фоне помех.
1.2 Задачи изучения дитсциплины
Основные задачи изучения дисциплины определяются требованиями к подготовке инженеров специальности 1-36 04 02, установленными в квалификационных характеристиках и типовой учебной программе дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны
З Н А Т Ь :
– свойства информационных сигналов и методы их математического опиcа- ния;
– принципы дискретизации сигналов и методы анализа дискретных сигналов;
– принципы цифровой фильтрации сигналов;
– принципы обнаружения и измерения параметров сигналов на фоне шумов;
У М Е Т Ь :
– использовать аналитическое описание информационных сигналов;
– определять параметры информационных сигналов при помощи спектрального и корреляционного анализов;
– рассчитывать параметры цифровых фильтров.
П Р И О Б Р Е С Т И Н А В Ы К И :
– использования существующих методов анализа характеристик и параметров информационных сигналов;
– оценки характеристик и параметров функционального преобразования измерительных сигналов при прохождении через линейные и нелинейные устройства;
–по обнаружению и и оценки параметров информационных сигналов на фоне шумов.
1.3 Содержание курса
Дисциплина «Теоретические основы информационно-измерительной техники» (ТОИИТ) методически тесно связана с другими дисциплинами для специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника».
Материал программы дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при изучении физики, высшей математики, теории вероятностей и математической статистики, теории электрических цепей,.
Основной формой изучения дисциплины является самостоятельная работа с рекомендованной литературой. Материал дисциплины следует изучать по темам в порядке, установленном в данной рабочей программе. При этом рекомендуется руководствоваться методическими указаниями к изучаемой теме, а также следующей, общей для большинства тем, методикой: вначале прорабатывается теоретический материал по указанной в конце каждой темы литературе, уделяется основное внимание сущности изучаемого вопроса и методике вывода искомых математических выражений. Необходимо также ясно представлять физическую сущность изучаемых явлений.
Проработка материала может производиться по любому из учебников, указанных в разделе литературы 3.1.
После методических указаний к каждому разделу программы предлагаются контрольные вопросы, которые являются основой для составления экзаменационных билетов. Студент может считать себя подготовленным к экзамену, если он умеет отвечать на каждый из контрольных вопросов.
Не рекомендуется приступать к изучению новой темы до полного усвоения всех предыдущих тем. Качество изучения материала следует контролировать путем ответов на вопросы для самопроверки, помещенные в конце каждой темы. При затруднениях в ответах необходимо повторно проработать соответствующий материал. После полной проработки темы следует решить соответствующие задачи контрольного задания.
Изучение материала рекомендуется сопровождать составлением краткого конспекта, фиксируя в нем основные сведения по изучаемой теме. Записи в конспект целесообразно делать только после того, как материал изучен и полностью понят. В конспект можно помещать вопросы для самопроверки и краткие ответы на них. Составление полноценного конспекта способствует качественному усвоению дисциплины, а его наличие позволяет в краткий срок восстановить в памяти основные положения и вопросы дисциплины, не прибегая к помощи учебников.
В соответствии с учебным планом дисциплины предусмотрено 12 часов лекционных занятий, 6 часов практических занятий, решение контрольной работы, 4 часа лабораторных работ, выполняемых в экзаменационную сессию.
Изучение дисциплины завершается сдачей экзамена, к которому студенты допускаются только при условии успешного выполнения контрольного задания, лабораторных работ и их защиты. Контрольные работы с отметкой о их защите студенты должны предъявить экзаменатору. На экзамене может быть проведен устный опрос по контрольной работе.
2. ПРОГРАММА КУРСА
Программа курса ТОИИТ составлена на основании типовой программы № ТД-1.357/тип., утвержденной Министерством образования Республики Беларусь в 2010 году.
ВВЕДЕНИЕ
Роль и значение средств измерений в промышленном производстве и современных исследованиях. Обобщённая структурная схема средства измерения.
Общие сведения об информационно-измерительных сигналах (ИС) и функциональных устройствах их обработки. Основные термины и определения.
Раздел 1 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ
Тема 1.1 Классификация измерительных сигналов и сигналов помех
Классификация измерительных сигналов:
– по природе материального носителя (неэлектрические, электрические и комбинированные);
– по характеру изменения параметров во времени (детерминированные, квазидетерминированные и случайные, периодические и непериодические, аналоговые непрерывные (континуальные) и аналого-импульсные, цифровые, элементарные и сложные);
– по спектру (видеосигналы и радиосигналы);
– по ширине спектра (узкополосные и широкополосные);
– по типу модуляции информативного параметра сигнала-переносчика (для несущего аналогового гармонического сигнала – с амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) или с угловой (УМ); для несущего аналого-импульсного сигнала – с амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульс- ной (ШИМ или ДИМ), частотно-импульсной (ЧИМ) и фазоимпульсной (ФИМ); для несущего цифрового сигнала – с времяимпульсной (ВИМ) и кодово-импульсной (КИМ));
– по назначению (испытательные и калибровочные).
Определение и классификация сигналов помех:
– по воздействию на сигнал (аддитивные и мультипликативные);
– по месту возникновения (внешние и внутренние);
– по виду частотного спектра помехи (белый и розовый шумы);
– по основным свойствам (флуктуационные, импульсные, сосредоточенные);
– детерминированные и случайные;
– флуктуационные помехи или шумы (тепловой, дробовый и фликкер-шумы).
Тема 1.2 Математическое описание детерминированных измерительных
сигналов
Сигналы и их математические модели. Одномерные и многомерные сигналы. Динамическое представление сигналов в виде функций включения и дельта-функций. Принцип измерения мгновенных значений сигнала. Структурные части сигнала – постоянная и переменная, чётная и нечётная.
Геометрическая теория векторного представления сигналов в бесконечномерном линейном пространстве. Координатный базис. Нормированное и метрическое пространство. Норма и энергия сигнала. Скалярное произведение сигналов и гильбертово пространство. Ортогональные сигналы и их разложение по ортогональным базисам, ортонормированный базис. Выбор системы ортогональных базисных функций. Аппаратурная реализация ортогонального разложения сигналов. Обобщённый ряд Фурье и его геометрический смысл.
Спектральный (гармонический) анализ и синтез периодических сигналов. Ряд Фурье в комплексной форме и его векторное представление во времени и в виде годографа. Энергетический спектр и спектр мощности периодического сигнала, теорема Парсеваля. Интегральные значения периодического сигнала: среднее; средневыпрямленное; среднеквадратическое. Временные окна и их применение при спектральном анализе.
Спектральный анализ непериодических сигналов, спектральная плотность, прямое и обратное преобразование Фурье. Энергетический спектр и спектр мощности непериодического сигнала, равенство Парсеваля. Соотношение между длительностью сигнала и шириной его спектра. Спектральный анализ сигналов по Лапласу. Свойства преобразований Фурье и Лапласа (теоремы о спектрах сигналов). Принцип измерения спектров сигналов.
Тема 1.3 Корреляционный анализ детерминированных измерительных
сигналов
Суть корреляционного анализа детерминированных сигналов. Взаимная корреляционная функция сигнала (ВКФ). Связь между энергетическим спектром сигнала и его ВКФ. Основные свойства ВКФ.
Автокорреляционная функция (АКФ) сигнала. АКФ сигналов: конечной длительности, периодических, неограниченно протяжённых, дискретных и сигналов Баркера. Связь между энергетическим спектром сигнала и его АКФ, соотношения Винера–Хинчина. Основные свойства АКФ. Обобщённая структурная схема коррелометра.
Тема 1.4 Модулированные сигналы
Сигнал с АМ. Временные и спектральные характеристики однотонального
АМ-сигнала, векторная диаграмма, энергетические свойства. Спектральные характеристики многотонального АМ-сигнала. АКФ АМ-сигнала.
Сигнал с УМ. Временные и спектральные характеристики однотонального ЧМ-сигнала с индексом модуляции 1, 1 и 1, векторная диаграмма. Различия между ЧМ и ФМ сигналами. Спектральные характеристики многотонального УМ-сигнала. Сравнительная оценка сигналов с АМ и УМ. Манипулированный УМ-сигнал. Сигналы с внутриимпульсной ЛЧМ и их АКФ.
Тема 1.5 Математическое описание случайных измерительных сигналов
Измерительный сигнал (ИС) как случайный процесс (СП). Понятие случайной функции и случайной величины, реализации и ансамбля СП. Непрерывные, дискретные и смешанные (непрерывно-дискретные) СП. Нестационарные, стационарные и эргодические случайные сигналы. Закон распределения вероятности (дифференциальный закон) и плотности вероятности (интегральный закон) случайной непрерывной, дискретной и смешанной величины. Свойства функций распределения вероятности и плотности вероятности.
Многомерный закон распределения вероятности и плотности вероятности мгновенного значения СП. Одномерная и двумерная плотность вероятности.
Начальные моментные функции для нестационарных и стационарных СП, математическое ожидание (МО) и ковариационная функция. Центральные моментные функции для нестационарных и стационарных СП, дисперсия и корреляционная функция (АКФ и ВКФ). Спектральная плотность мощности (энергетический спектр) эргодического СП и его связь с корреляционными функциями (теорема Винера-Хинчина). Средняя мощность. Эффективная ширина спектральной плотности мощности. Интервал корреляции. Связь между эффективной шириной спектральной плотности мощности и интервалом корреляции.
Тема 1.6 Квантование, дискретизация и кодирование измерительных сигна-
лов
Необходимость дискретизации и квантования ИС. Суть процесса дискретизации ИС. Равномерная и неравномерная, физическая и аналитическая дискретизация. Погрешность датирования отсчёта (выборки). Задача восстановления исходного сигнала из дискретизированного, выбор системы базисных функций.
Дискретизация и восстановление сигнала по теореме отсчётов (теорема Котельникова). Дискретизация исходного ИС с ограниченным спектром и преобразование его временной функции и спектра. Восстановление (синтез) исходного ИС и преобразование его временной функции и спектра. Погрешности восстановления исходного ИС. Уменьшение погрешности восстановления исходного ИС.
Дискретизация сигналов конечной длительности с неограниченным спектром. Понятие числа степеней свободы или базы сигнала. Дискретизация узкополосных сигналов (радиосигналов с АМ и ЧМ). Дискретизация спектров сигналов.
Равномерное и неравномерное квантование ИС. Погрешность квантования сигналов. Представление ИС цифровыми значениями.
Раздел 2 АНАЛИЗ ПРОХОЖДЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
ЧЕРЕЗ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ
Тема 2.1 Анализ прохождения измерительных сигналов через линейные
цепи
Методы анализа прохождения детерминированных ИС через линейные це-
пи с постоянными параметрами: классический (метод дифференциальных уравнений), временной (интеграла Дюамеля), спектральный (частотный) и операторный.
Прохождение детерминированных сигналов через апериодические цепи, дифференцирование и интегрирование сигналов.
Приближённые методы анализа прохождения радиосигналов через избирательные узкополосные цепи: метод огибающей, метод «мгновенной» частоты, спектральный. Прохождение АМ, ЧМ и широкополосных сигналов через узкополосную цепь.
Общий случай задачи анализа преобразования случайных сигналов в линейной цепи с постоянными параметрами. Определение энергетического спектра, корреляционной функции и закона распределения плотности вероятности случайного сигнала на выходе ЛЦ. Временной и частотный методы анализа. Эффект нормализации закона распределения сигнала на выходе узкополосной ЛЦ.
Тема 2.2 Анализ прохождения измерительных сигналов через нелинейные
цепи
Свойства и характеристики элементов нелинейных цепей (НЦ). Аппроксимация характеристик НЦ. Режим «слабых» сигналов и узловая аппроксимация степенным полиномом. Точность аппроксимации. Режим «сильных» сигналов и кусочно-линейная аппроксимация.
Анализ НЦ при воздействии постоянного напряжения (тока). Спектральный анализ прохождения сигналов через безинерционные и инерционные НЦ. Обобщённая структурная схема инерционных НЦ. Анализ прохождения через НЦ сигнала, содержащего одну, две и более гармонических составляющих. Анализ прохождения гармонического сигнала через НЦ при кусочно-линейной аппроксимации, метод угла отсечки (метод А.И. Берга).
Квазилинейный метод анализа для инерционной НЦ, понятие средней крутизны. Метод трёх и пяти ординат. Оценка нелинейных искажений.
Функциональные преобразования сигналов в НЦ: выпрямление; умножение частоты; амплитудная модуляция и детектирование; преобразование частоты; гетеродинирование.
Задачи преобразования случайных сигналов в НЦ. Определение закона распределения плотности вероятности выходного сигнала, когда характеристика НЦ: однозначна; неоднозначна; имеет один или более горизонтальных участков. Определение корреляционной функции и энергетического спектра сигнала на выходе НЦ.
Тема 2.3 Классификация и основные характеристики фильтров
Классификация электрических фильтров. Типы реализуемых передаточных функций линейных фильтров: Баттерворта, Чебышева, Кауэра, Бесселя. Импульсная и переходная характеристики фильтра. Критерий физической реализации фильтра. Связь частотного коэффициента передачи фильтра с его импульсной характеристикой. Способы соединения фильтров: последовательное, параллельное, каскадное, с обратной связью.
Тема 2.4 Фильтрация измерительных сигналов
Основные задачи при приёме сигналов. Приём (обработка) сигналов как статистическая задача максимизации отношения сигнал/помеха на выходе цепи. Оптимальный приёмник на основе коррелятора и его структурная схема.
Передаточная характеристика согласованного (оптимального) линейного фильтра (СФ), неравенство Коши – Буняковского. Импульсная характеристика СФ и условия её физической реализуемости. Сигнал и шум на выходе СФ.
Оптимальная фильтрация при «небелом» шуме. Структурная схема оптимального приёмника на основе СФ. Сравнение оптимального приёмника на основе СФ и коррелятора. Квазиоптимальные фильтры. Примеры синтеза СФ.
Дискретные фильтры и их построение. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и его свойства. Алгоритмы быстрого преобразование Фурье (БПФ).
Цифровые линейные фильтры (ЦФ), обобщённая структурная схема устройства цифровой обработки непрерывных сигналов. Алгоритм линейной цифровой фильтрации, импульсная характеристика ЦФ. Трансверсальные нерекурсивные и рекурсивные ЦФ. Частотные характеристики ЦФ. Нерекурсивный ЦФ аналогичный звену RC-цепи ФНЧ.
Раздел 3 УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, УМНОЖЕНИЯ И
ДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
Тема 3.1 Преобразователи частоты
Функциональное назначение преобразователей частоты (ПЧ) и принцип работы. Классификация ПЧ: индивидуальные и групповые; резистивные (с нелинейной ВАХ) и реактивные (емкостные); транзисторные (активные) и диодные (пассивные); однотактные, двухтактные (балансные), кольцевые (двойные балансные); дискретные и интегральные. Предъявляемые к ПЧ требования.
Квазилинейная теория преобразования частоты. Последовательный диодный однотактный, двухтактный (балансный) и кольцевой (двойной балансный) ПЧ. Затухание диодных ПЧ.
Транзисторный однотактный, балансный и упрощённый вариант кольцевого ПЧ. Интегральные микросхемы аналоговых перемножителей типа К526ПС1, К140МА1 и др.
Тема 3.2 Умножители и делители частоты
Функциональное назначение и способы построения умножителей частоты (УЧ) с использованием: источника гармоник и полосовой фильтрации; «захвата» частоты вспомогательного генератора; устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ); их комбинации.
Построение УЧ с использованием в качестве источника гармоник: усилителя-ограничителя, нелинейной индуктивности, принцип их работы и недостатки. Структурная схема и принцип работы УЧ с «захватом» частоты вспомогательного генератора. Структурная схема и принцип работы УЧ с ФАПЧ или ФАП.
Функциональное назначение и способы построения делителей частоты (ДЧ): регенеративные; на основе ФАПЧ; цифровые. Структурная схема регенеративного ДЧ, его достоинства. Структурная схема ДЧ на основе ФАПЧ и принцип его работы. Структурные схемы ДЧ счётчикового типа на основе триггерных ячеек без ОС и с применением ОС, а также с использованием дешифратора двоичного кода числа сосчитанных импульсов.
Раздел 4. УСТРОЙСТВА МОДУЛЯЦИИ И ДЕМОДУЛЯЦИИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
Тема 4.1 Модуляторы АМ-сигналов
Функциональное назначение устройств модуляции и их виды. Способы осуществления амплитудной модуляции (АМ) с помощью линейного параметрического и нелинейного преобразований сигналов, обобщённая структурная схема.
Схемотехнические возможности осуществления АМ в транзисторных модуляторах: базовая; эмиттерная; коллекторная; комбинированная. Схема базового модулятора, принцип работы и его характеристики.
Схема балансного модулятора (БМ), принцип работы, временная функция и спектр АМ сигнала. Схема БМ на диодах. Структурная схема модулятора АМ сигнала с одной боковой полосой (ОБП), принцип работы, временная функция и спектр АМ сигнала.
Тема 4.2 Методы получения угловой модуляции
Методы осуществления угловой модуляции (УМ): прямые и косвенные. Прямой и косвенный методы осуществления частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляции.
Способы получения ЧМ и ЧМ, электрические и структурные схемы их реализации.
Метод преобразования АМ в ФМ, структурная схема ФМ по методу Армстронга, принцип работы.
Частотная манипуляция сигнала, принципы и структурные схемы её осуществления.
Тема 4.3 Демодуляция АМ-сигналов
Функциональное назначение устройств демодуляции (детектирования) и их виды. Способы осуществления детектирования АМ сигнала с помощью линейного параметрического и нелинейного преобразований сигналов, обобщённая структурная схема.
Схема последовательного диодного детектора АМ сигнала, принцип работы и его характеристики. Выбор постоянной времени цепи нагрузки и её влияние на форму сигнала. Режим квадратичного и линейного детектирования, нелинейные искажения. Влияние нагрузки детектора и глубины модуляции АМ сигнала на нелинейные искажения.
Тема 4.4 Демодуляция сигналов с угловой модуляцией
Детектирование сигналов с УМ. Принцип детектирования ЧМ сигнала путём преобразования его в АМ сигнал. Недостаток такого частотного детектора (ЧД). Схема ЧД (дискриминатора) с расстроенными контурами и принцип работы.
ЧД, использующий зависимость фазового сдвига от частоты, схема и принцип работы фазово-частотного дискриминатора, его недостаток. Схема фазово-частотного ЧМ детектора отношений и принцип его работы.
Квадратурный ЧМ детектор, структурная схема и принцип работы.
ЧМ детектор с ФАПЧ, структурная схема и принцип работы.
Детектирование ФМ сигналов, принцип работы фазового детектора (ФД) на основе операционного усилителя. Схема ФД с использованием опорного гармонического колебания, принцип его работы.
Синхронный детектор, структурная схема и принцип работы.